兩種舒適度指數(shù)在海南島氣候舒適度評價(jià)中的應(yīng)用及對比分析

林紹伍 張明潔 張京紅 張亞杰 楊靜

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

利用舒適度指數(shù)作為表征量，通過研究時空變化來評估其對人體的影響，可以較好地反映人體對周圍環(huán)境的適應(yīng)情況和某地區(qū)居住環(huán)境的適宜性。我國在20世紀(jì)80年代開始?xì)夂蚴孢m度研究，以借鑒國外模型為主，進(jìn)行應(yīng)用性定量評價(jià)[1-2]；也有一些將影響本地人體舒適感的多項(xiàng)氣象因子進(jìn)行訂正及累加，將本地的人體舒適度指數(shù)進(jìn)行計(jì)算與等級劃分，評估本地氣候條件對人體健康的影響[3-7]。例如，孫銀川等[8]分析寧夏六盤山區(qū)各地夏季不同舒適度等級日數(shù)分布特征及氣溫、相對濕度和風(fēng)速對體感溫度的影響。林穎儀等[9]以海南島為研究區(qū)，在基于“黃金分割率”的體感溫度方法計(jì)算人體舒適度的基礎(chǔ)上，采用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解法對海南島季節(jié)人體舒適度進(jìn)行綜合區(qū)劃，獲取海南島氣候康養(yǎng)的最佳舒適區(qū)域。隨著研究的進(jìn)一步深入，出現(xiàn)了一些較為系統(tǒng)的組合分析模型[10-14]。如聶云等[15]結(jié)合旅游實(shí)際，綜合溫濕指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)和著衣指數(shù)構(gòu)建了貴州梵凈山旅游氣候舒適度指數(shù)，為梵凈山山岳型旅游氣象預(yù)報(bào)與服務(wù)工作提供了支撐。劉海洋等[16]基于溫濕指數(shù)和風(fēng)寒指數(shù)建立沙漠旅游氣候舒適指數(shù)（DCI）模型，對29個沙漠旅游發(fā)展?jié)摿^(qū)的月度氣候舒適指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。曹偉宏等[17]以云南麗江為研究區(qū)，構(gòu)建了一個基于溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和著衣指數(shù)的綜合氣候舒適度指數(shù)，對麗江旅游適宜期進(jìn)行分析。此外，2009年德國生物氣象學(xué)會提出了包含主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)的復(fù)雜的機(jī)理模型：熱平衡模型（UTCI），被廣泛應(yīng)用于不同地區(qū)的氣候[18]或人體舒適度預(yù)測、室內(nèi)適宜性評價(jià)。中國學(xué)者將其應(yīng)用于深圳[19]、杭州[20]等城市夏季舒適度的估算分析。綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)并沒有統(tǒng)一的氣候舒適度計(jì)算方法，但其中溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)等被廣泛應(yīng)用于氣候舒適度評價(jià)。

海南島地處熱帶北緣，夏無酷熱，冬無嚴(yán)寒，四季不分明，年平均氣溫高，氣溫年較差小。本研究采用基于溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)構(gòu)建的綜合氣候舒適度指數(shù)和人體舒適度指數(shù)分別對海南氣候舒適度進(jìn)行評估分析，比較2種氣候舒適度指數(shù)在海南的適用性，以便對海南的氣候舒適度現(xiàn)狀分布格局及其變化規(guī)律有更加清晰的認(rèn)識。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取海南島18個國家氣象站1991—2020年逐日觀測數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日平均濕度、日平均風(fēng)速和日照時數(shù)等，數(shù)據(jù)來源于海南省氣象局。

1.2 方法

1.2.1 綜合氣候舒適度指數(shù)基于氣候舒適度評價(jià)研究中廣泛應(yīng)用的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)[21-23]，構(gòu)建綜合氣候舒適度指數(shù)，對海南氣候舒適度時空分布特征進(jìn)行分析評價(jià)。一般而言，在炎熱的地區(qū)或季節(jié)著重考慮熱應(yīng)力的舒適程度，海南屬于熱帶海洋性島嶼季風(fēng)氣候區(qū)，長夏無冬，氣候炎熱，所以探討其綜合氣候舒適度時，溫濕指數(shù)所占的權(quán)重較大[24]。根據(jù)前期研究，利用參考文獻(xiàn)[24]中構(gòu)建的綜合舒適度指數(shù)對海南氣候舒適度時空分布特征進(jìn)行分析評價(jià)。在綜合舒適度指數(shù)中，溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)的權(quán)重為0.65、0.35，綜合舒適度指數(shù)（R）計(jì)算公式：R= 0.65*THI+0.35*K，其中，THI，K分別為溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)。將綜合舒適度指數(shù)各等級進(jìn)行賦值（表1）。

表1 綜合舒適度指數(shù)等級劃分

1.2.2 人體舒適度指數(shù)人體舒適度指數(shù)綜合考慮了溫度、濕度和風(fēng)速，并將之量化體現(xiàn)，已在我國氣象臺站氣候舒適度評價(jià)中被廣泛應(yīng)用[25-26]。具體計(jì)算方法如下：

其中，KSSD為人體舒適性指數(shù)，T為溫度（℃），RH為濕度（%），v為風(fēng)速（m/s）。分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 人體舒適度指數(shù)等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 基于綜合舒適度指數(shù)的海南氣候舒適度時空分布特征分析

2.1.1 時間分布特征1991—2020年海南島逐月平均綜合舒適度指數(shù)（R）值在-55～40（圖1），呈單峰型變化，峰值出現(xiàn)在6月。根據(jù)表1，1、2和 12月綜合氣候舒適度屬于舒適等級，3—11月屬于較舒適等級；其中3—6月綜合氣候舒適度指數(shù)值升高，氣候舒適度逐漸下降，至6月綜合氣候舒適度指數(shù)達(dá)到最高值，但氣候舒適度仍處于較舒適等級；6—11月，綜合氣候舒適度指數(shù)逐漸減小，氣候舒適度逐漸升高。

圖1 1991—2020年海南綜合氣候舒適度指數(shù)月變化

由海南島綜合舒適度各等級月平均日數(shù)變化特征（圖2）可以看出，1—12月，最舒適等級的日數(shù)呈現(xiàn)U型變化，1月最舒適日數(shù)最多，平均為10.73 d，隨后逐漸減少，5—8月最舒適日數(shù)均為0 d；9、10月份不足1 d，11月份開始最舒適日數(shù)增多，至12月份達(dá)到9.16 d。舒適日數(shù)的年變化趨勢與最舒適日數(shù)一致，也成 U型變化，1月舒適日數(shù)最多，為 12.38 d，隨后逐漸減少，5—9月舒適日數(shù)均不足 1 d，10月份開始逐漸增加，至12月份達(dá)到13.34 d。較舒適日數(shù)呈M型變化，1月較舒適日數(shù)平均為7.89 d，隨后逐漸增加，至 3月達(dá)到 19.58天后開始逐漸減少，至 6月為9.45 d，7月份開始較舒適日數(shù)逐漸增加，至10月份達(dá)到峰值（24.83 d），然后逐漸減少，至12月份為8.47 d。次舒適日數(shù)呈倒U型變化，1月和 2月不足 1 d，3月份開始逐漸增加，至 6月達(dá)到20.26 d，隨后開始逐漸減少，11月和12月次舒適日數(shù)不足 1 d。1991—2020年 1—3月和8—12月未出現(xiàn)不舒適日數(shù)，4—7月出現(xiàn)不舒適日數(shù)，但均不足1 d（圖3），即1991—2020年4—7月份僅個別年份偶然出現(xiàn)氣候舒適度為不舒適等級的日數(shù)。

圖2 海南島綜合舒適度各等級月平均日數(shù)變化

圖3 1991—2020年海南島綜合舒適度指數(shù)不同等級日數(shù)的月變化

由圖3和表3可知，1991—2020年1—3月和11、12月，較舒適及以上等級日數(shù)占比均達(dá)到95%以上，占比最少的為6月份（31.73%）。說明海南全年氣候舒適條件好，相對而言，優(yōu)勢在11月至翌年3月的冬半年。4、9和10月為過渡期。

表3 海南島1—12月綜合氣候舒適度不同等級日數(shù)及較舒適以上等級日數(shù)

2.1.2 空間分布特征統(tǒng)計(jì)海南島 18個國家站1991—2020年綜合舒適度指數(shù)最舒適、較舒適、次舒適、不舒適5個等級日數(shù)并計(jì)算平均值，得到 18個市縣各舒適度等級年平均日數(shù)的空間分布圖（圖4）。由圖可知，最舒適等級日數(shù)呈現(xiàn)由北向南逐漸減少的趨勢，北部的?？?、臨高和儋州最舒適日數(shù)在45～60 d；其次為北部的澄邁、定安、屯昌和東部的文昌、瓊海、萬寧，中部的白沙、西部的東方，在 30～45 d；保亭和三亞小于15 d，其余市縣在15～30 d。舒適等級日數(shù)分布，中部的五指山和瓊中最多，超過70 d；其次是東北部的臨高、澄邁、海口、定安、文昌、屯昌和瓊海，在60～70 d；第三為東方、白沙、儋州、萬寧、陵水，在50～60 d；其余市縣小于50 d。較舒適等級日數(shù)分布總體上南部多于北部，中部的五指山和保亭最多，超過210 d；樂東、三亞、陵水、瓊中和白沙為180～210 d；東方、臨高和?？谛∮?50 d；其余市縣在150～180 d。次舒適等級日數(shù)分布呈現(xiàn)出中部少沿海多的趨勢，中部的五指山最少，其次是瓊中；除了東方、三亞、萬寧和瓊海在110～130 d外，其余市縣在90～110 d。不舒適等級日數(shù)除了昌江和東方外，其余市縣均不足1 d。綜合以上分析可知，18個市縣較舒適等級以上的日數(shù)在236.2～327.6 d，平均為264.0 d，五指山最多，平均每年327.6 d。

圖4 基于綜合舒適度指數(shù)的1990—2020年海南島不同舒適等級日數(shù)的空間分布

2.2 基于人體舒適度指數(shù)的海南氣候舒適度的時空分布特征分析

2.2.1 時間分布特征1991—2020年海南島逐月平均人體舒適度指數(shù)在57～65（圖5），呈單峰型變化，峰值同樣出現(xiàn)在 6月。根據(jù)表2，1、2和12月人體氣候舒適度屬于較舒適等級，3—11月屬于舒適等級；其中3—6月人體舒適度指數(shù)升高，人體舒適度逐漸升高，至6月人體舒適度指數(shù)達(dá)到最高值，人體舒適度最舒適；6—11月，人體舒適度指數(shù)逐漸減小，人體舒適度逐漸下降，但仍處于舒適等級。

圖5 1991—2020年海南人體舒適度指數(shù)月變化

由海南島人體舒適度不同等級月平均日數(shù)變化特征（圖6）可知，1991—2020年海南出現(xiàn)舒適、較舒適（偏冷）、微涼3個等級的舒適度。其中，舒適日數(shù)呈類似倒U型變化，1月份舒適日數(shù)平均為 11.01 d（表4），隨后逐漸增加；5—8月幾乎全月均處于舒適等級，9月開始逐漸減少，至12月為12.53 d。較舒適等級日數(shù)呈U型變化，1月較舒適日數(shù)為19.16 d，隨后逐漸減少，5—9月較舒適日數(shù)少于1 d，10月開始逐漸增加，至12月較舒適日數(shù)為18.04 d。微冷日數(shù)在12月至翌年3月均不足1 d，說明微冷日數(shù)只在個別年份偶然出現(xiàn)。

圖6 1991—2020年海南島人體舒適度不同等級日數(shù)的月變化

由圖6和表4可知，1991—2020年全年較舒適以上等級日數(shù)占比均達(dá)到97%，其中4—10月占比為100%，即4—10月人體舒適度均為較舒適或舒適；1—3月和 11、12月，較舒適及以上等級日數(shù)占比均達(dá)到95%以上，說明海南全年氣候舒適條件好。

表4 海南島1—12月人體舒適度不同等級日數(shù)及較舒適以上等級日數(shù)

2.2.2 空間分布特征舒適等級日數(shù)的空間分布整體上呈現(xiàn)由南向北逐漸減少的趨勢（圖7），樂東和保亭最多，超過320 d；其次為三亞、陵水和昌江，在 300～320 d；除東方、臨高和?？谛∮?80 d外，其余市縣在280～300 d。較舒適（偏冷）等級日數(shù)，北部多于南部，東部和中部多于西部，海口、臨高、儋州和東方在80～100 d；昌江、樂東、陵水在40～60 d；保亭小于40 d；其余市縣在60～80 d。微冷等級日數(shù)除了東方為11 d，儋州、臨高和?？谠?～6 d外，其余市縣均不足3 d。

圖7 基于人體舒適度指數(shù)的1990—2020年海南島不同舒適等級日數(shù)的空間分布

2.3 綜合舒適度指數(shù)和人體舒適度指數(shù)評價(jià)結(jié)果的對比分析

2.3.1 海南逐月綜合舒適度指數(shù)和人體舒適度指數(shù)的相關(guān)分析利用 1991—2020年海南全島 18個國家站逐日的氣象數(shù)據(jù)，分別計(jì)算 18個站逐日的綜合舒適度指數(shù)和人體舒適度指數(shù)，得到全島平均的綜合舒適度指數(shù)和人體舒適度指數(shù)，對二者進(jìn)行逐月的相關(guān)性分析，比較2個指數(shù)的差異性。

通過相關(guān)分析可知（表5），1991—2020年1—12月的綜合舒適度指數(shù)（R）與人體舒適度指數(shù)（KSSD）的相關(guān)系數(shù)均大于 0.8，具有高度相關(guān)性，且均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。說明2個公式都能反映出海南島氣候舒適度狀況及逐月變化情況。根據(jù)圖1和表1可知，綜合氣候舒適度指數(shù)的評價(jià)結(jié)果為：1、2和 12月氣候舒適度屬于舒適等級，3—11月屬于較舒適等級；根據(jù)圖5和表2可知，人體舒適度指數(shù)的評價(jià)結(jié)果為：1、2和12月人體舒適度屬于較舒適等級，3—11月屬于舒適等級，即2個指數(shù)評價(jià)結(jié)果等級并不一致。分析原因，綜合氣候舒適度指數(shù)（R）除了考慮氣溫、相對濕度、風(fēng)速的影響外，還考慮日照時間長短對舒適度的影響。海南島地處熱帶北緣，1991—2020年月平均日照時數(shù)達(dá)161.3 h，尤其是在夏半年的4—9月，月平均日照時數(shù)高達(dá) 198.0 h，而較長的日照會導(dǎo)致氣溫升高，并通過影響人的心理感受進(jìn)而影響人體舒適度。海南島的氣候舒適度表現(xiàn)為冬半年月份優(yōu)于夏半年月份，因此，綜合氣候舒適度指數(shù)對海南島氣候舒適度的評價(jià)結(jié)果更為合理。另一方面，雷桂蓮[27]提出，人體舒適度指數(shù)與綜合氣候舒適度指數(shù)具有極顯著相關(guān)性，因此，在應(yīng)用其評價(jià)海南氣候舒適度時需對指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正。

表5 逐月綜合氣候舒適度指數(shù)與人體舒適度指數(shù)的相關(guān)性

2.3.2 綜合舒適度指數(shù)和人體舒適度指數(shù)空間評價(jià)結(jié)果的對比分析在海南島北部、東部、中部、西部和南部選擇5個代表市縣海口、瓊海、五指山、昌江和三亞，計(jì)算1991—2020年逐月的綜合氣候舒適度指數(shù)，并分別與全島每月平均的綜合氣候舒適度指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)（表6）。?？?、瓊海和昌江3個市縣與全島平均的逐月綜合氣候舒適度指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.7，為高度相關(guān)，且均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。五指山的綜合氣候舒適度指數(shù)與全島均為高度相關(guān)或顯著性相關(guān)，且均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。南部的三亞除了9和11月的綜合氣候舒適度指數(shù)與全島的相關(guān)性未通過顯著性檢驗(yàn)外，其它月份與全島的相關(guān)性均通過了0.05或0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。通過顯著性檢驗(yàn)可知，綜合氣候舒適度指數(shù)適合用于海南人體氣候舒適度評價(jià)。由表7可以看出，瓊海、五指山和昌江的人體舒適度指數(shù)與全島均為高度相關(guān)或顯著性相關(guān)，且均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。海口除了6—9月外，其余月份均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。三亞各月雖通過了 0.01水平的顯著性檢驗(yàn)但多為低度相關(guān)。通過相關(guān)性分析對比發(fā)現(xiàn)，綜合氣候舒適度指數(shù)比人體舒適度指數(shù)更適合用于海南島氣候舒適度的評價(jià)。

表6 代表市縣與全島平均的逐月綜合氣候舒適度指數(shù)的相關(guān)性分析

表7 代表市縣與全島平均的逐月人體舒適度指數(shù)的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

（1）海南全年氣候綜合舒適度指數(shù)在-55～40，屬于舒適、較舒適和次舒適等級，全年氣候舒適條件好，11月至翌年3月的冬半年更優(yōu)?？臻g分布上，最舒適日數(shù)和舒適日數(shù)總體上北部多于南部，全島 18個市縣較舒適等級以上的日數(shù)在236.2～327.6 d，平均為264.0 d。海南全年人體舒適度指數(shù)在57～65，全年較舒適以上等級日數(shù)占比均達(dá)到97%，其中4—10月占比為100%，即4—10月人體舒適度均為較舒適或舒適。1—3月和11、12月，較舒適及以上等級日數(shù)占比均達(dá)到95%以上?？臻g分布上，舒適等級日數(shù)的空間分布整體上呈現(xiàn)由南向北逐漸減少的趨勢。

（2）1991—2020年1—12月的綜合舒適度指數(shù)和人體舒適度指數(shù)均具有極顯著的相關(guān)性，說明2個指數(shù)都能反映出海南島氣候舒適度狀況及逐月變化情況；但2個指數(shù)評價(jià)結(jié)果的等級并不一致。同時結(jié)合代表性市縣2種指數(shù)與全島平均指數(shù)的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，綜合氣候舒適度指數(shù)更適合用于海南島氣候舒適度評價(jià)，原因可能在于其考慮了日照時數(shù)對舒適度的影響，更符合海南島的氣候特點(diǎn)，特別是南部日照充足的地區(qū)。

（3）無論是綜合氣候舒適度指數(shù)，還是人體舒適度指數(shù)均為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停P(guān)于采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行氣候舒適度計(jì)算，國內(nèi)并沒有統(tǒng)一的方法。本研究對2種經(jīng)驗(yàn)指數(shù)在海南的適用情況進(jìn)行比較分析，對海南島氣候舒適度評價(jià)研究具有一定的意義，下一步將采用熱平衡模型（UTCI）等機(jī)理模型對氣候舒適度進(jìn)行計(jì)算和比較，以期更加科學(xué)精細(xì)地進(jìn)行海南人體氣候舒適度評價(jià)及其演變規(guī)律探究。