1960-2018年四川宜賓氣候舒適度變化特征研究

王 耕，俞喬山，吳利華

(1.遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029;2.西南林業(yè)大學(xué) 地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650224)

氣候作為自然環(huán)境的重要條件之一，其舒適性是評(píng)價(jià)和分析區(qū)域人居環(huán)境的關(guān)鍵氣候指標(biāo)[1].氣候舒適度在一定程度上可以調(diào)節(jié)人的生理活動(dòng)并產(chǎn)生部分影響，是生物氣象指標(biāo)[2].作為人居環(huán)境氣候評(píng)估的內(nèi)容之一，氣候舒適度評(píng)價(jià)占據(jù)重要地位[1].國(guó)外氣候舒適度研究起步早，加拿大學(xué)者Houghton于1923年建立了舒適指數(shù)測(cè)評(píng)的標(biāo)準(zhǔn)模型[3-4]即經(jīng)典有效溫度指(ET)公式，Li等[5]又將風(fēng)速考慮進(jìn)來(lái), 根據(jù)香港的情況修正了其公式.1966年Terjung提出了舒適指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)概念[6].1973 年 Oliver 提出風(fēng)寒指數(shù)、溫濕指數(shù)，評(píng)價(jià)氣候?qū)θ梭w舒適感覺(jué)的影響[7].我國(guó)氣候舒適度研究始于20世紀(jì)80年代，多數(shù)學(xué)者使用舒適度模型，采用風(fēng)效指數(shù)、溫濕指數(shù)等方法開(kāi)展研究較為頻繁[8].崔喬等[9]依據(jù)西藏地區(qū)溫濕指數(shù)及風(fēng)效指數(shù)時(shí)間與空間變化特征，計(jì)算和影響因子權(quán)重分析.基于人體熱平衡原理，馮定原等[10]著重于感熱溫度理論，展開(kāi)了一系列的定量計(jì)算.隨著地理信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展，王勝等[11]以安徽省為例，結(jié)合GIS空間插值技術(shù)，進(jìn)行氣候舒適度的制圖研究.張馨藝、趙詣、王曉美等[12]對(duì)遼寧省大部分地區(qū)人居環(huán)境氣候舒適度進(jìn)行分析，利用 ArcGIS進(jìn)行空間分析.張狄等[13]注重于不同地形情況下，運(yùn)用數(shù)字高程模型進(jìn)行了具體分析.諸多研究表明：針對(duì)和側(cè)重于區(qū)域氣候舒適度的時(shí)空研究，可以了解區(qū)域環(huán)境的宜居程度，對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)的居民日常生活質(zhì)量、提高可持續(xù)發(fā)展水平、提供氣象服務(wù)指導(dǎo)、改善人居環(huán)境等具有重要的意義價(jià)值.

宜賓市位于四川省東南部，處于四川盆地內(nèi)部，與云南省和貴州省相接，地理位置特殊.亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季變化分明.本文基于宜賓氣象資料，對(duì)氣候舒適度指數(shù)59 a的變化特征進(jìn)行了分析，得出宜賓市一年內(nèi)氣候舒適度均處于舒適狀態(tài)的月份，氣候舒適度不同季節(jié)的變化，各項(xiàng)指數(shù)的舒適期及起止日期的變化，對(duì)氣候舒適性進(jìn)行一系列評(píng)價(jià)，為宜賓市提供氣象服務(wù)指導(dǎo)居民日常生活，為相關(guān)研究提供基礎(chǔ)性參考.

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http://data.cma.cn/的相關(guān)觀測(cè)資料,主要為四川省宜賓氣象站1960—2018年的地面國(guó)際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)值.宜賓氣象站是該地區(qū)的國(guó)家基準(zhǔn)氣候,站臺(tái)站信息如表1所示.由于1951—1960年的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)不完整，故采用1960—2018年的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)通過(guò)Excel表格處理，并檢測(cè)和提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，具有數(shù)據(jù)處理和研究的合理性.

表1 宜賓基準(zhǔn)站臺(tái)站信息

1.2 研究方法

1.2.1 溫濕指數(shù)(ITH)計(jì)算公式

溫濕指數(shù)(ITH)，通過(guò)溫度和濕度的組合反映人體與周圍環(huán)境的熱量交換，為氣候舒適度首要指標(biāo)[14]，計(jì)算式如下：

ITH=(1.8×T+32)-0.55×(1-RH)×(1.8×T-26).

(1)

其中,RH即相對(duì)濕度，T即溫度(℃).

1.2.2 風(fēng)效指數(shù)(IWE)計(jì)算公式

風(fēng)效指數(shù)(IWE)，即風(fēng)速和氣溫對(duì)裸露人體熱量散失的影響，計(jì)算公式如下：

(2)

其中,V為風(fēng)速(m/s)，T為溫度(℃)，S為日照時(shí)數(shù)(h/d).

1.2.3 著衣指數(shù)(ICL)計(jì)算公式

著衣指數(shù)(ICL)由澳大利亞學(xué)者Freitas 提出，綜合了溫度、太陽(yáng)輻射、人體代謝和風(fēng)速等多種因素，人們可以根據(jù)著衣指數(shù)的大小來(lái)選擇不同的衣服而改變氣候的不舒適性[14-16]，計(jì)算公式如下：

(3)

其中,T為攝氏氣溫(℃),H代表人體代謝率的 75%，H=87 W/m2[17-19].A表示人體對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收情況，取0.06,R表示垂直陽(yáng)光的單位面積土地所接收的太陽(yáng)輻射(W/m2)，取太陽(yáng)常數(shù)R=1 367 W/m2,α是太陽(yáng)高度角,V為風(fēng)速(m/s)[20-21].

1.2.4 舒適度綜合指數(shù)計(jì)算公式

根據(jù)人居戶外感受相對(duì)程度，采用3個(gè)指數(shù)進(jìn)行分級(jí)及賦值，環(huán)境氣候舒適度受極端天氣影響大，所以將其級(jí)別分為7類，分別進(jìn)行賦值，其數(shù)值越高，氣候舒適程度就越高[1，14]，其結(jié)果如表2所示.

表2 溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和著衣指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及賦值

綜合舒適指數(shù)(ICC)是以溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和著衣指數(shù)為基礎(chǔ)，采用專家打分和層次分析法確定各指數(shù)的權(quán)重，建立氣候舒適性綜合評(píng)價(jià)模型[22]，計(jì)算公式如下：

ICC=0.6×XTHI+0.3×XWEI+0.1×XICL.

(4)

其中,XTHI為溫濕指數(shù)分級(jí)賦值，XWEI即風(fēng)效指數(shù)分級(jí)賦值，XICL為著衣指數(shù)的分級(jí)賦值，各指數(shù)權(quán)重系數(shù)為0.6、0.3、0.1.1≤ICC<3 即不舒適等級(jí)范圍；3≤ICC<5即較不舒適等級(jí)范圍；5≤ICC<7即較舒適等級(jí)范圍；7≤ICC≤9即舒適等級(jí)范圍[23].

2 結(jié)果分析

2.1 1960—2018年宜賓溫濕指數(shù)年際、年內(nèi)變化特征分析

從溫濕指數(shù)的年際變化特征來(lái)看(圖1)，年際間變化幅度大，總體上為上升趨勢(shì)，上升趨勢(shì)比較明顯.

圖1 1960—2018年宜賓溫濕指數(shù)年際變化特征

年際變化特征表明：宜賓59 a來(lái)均處于A舒適等級(jí)范圍中，人體感覺(jué)涼爽.但有從A舒適到B較舒適等級(jí)，涼爽向溫暖轉(zhuǎn)變的趨勢(shì).

從59 a平均月變化來(lái)看(圖2)，宜賓的溫濕指數(shù)(ITH)為明顯的單峰型，隨著溫度和濕度的變化而不斷變化.1月ITH最低47，人體感覺(jué)偏冷.在7月時(shí)達(dá)到最高值76.69，人體感覺(jué)悶熱.

從不同舒適等級(jí)的年內(nèi)月份分布來(lái)看(圖2)，在4月、10月，ITH在60～65之間，人體感覺(jué)涼爽，屬于A 舒適等級(jí).5月份ITH在65～70范圍之間，人體感覺(jué)溫暖，為B 較舒適等級(jí).在6月、9月時(shí)，ITH在70～75之間，人體感覺(jué)偏熱，為C 較不舒適等級(jí).7月和8月，ITH高達(dá)75～80，人體感覺(jué)悶熱，屬于D等級(jí)不舒適等級(jí).

圖2 溫濕指數(shù)和不同舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)的59 a平均月變化

從近59 a的舒適期變化特征的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看(表3)，不同舒適等級(jí)的初始日期有所不同，較舒適b等級(jí)的初始日期隨著年代變化而發(fā)生變化，初始日期都在2月份開(kāi)始.較舒適B等級(jí)的初始日期的，大致開(kāi)始于3月中后旬.舒適A等級(jí)的初始日期，基本上開(kāi)始于2月末和3月中上旬.

表3 1960—2018年溫濕指數(shù)舒適期的起止日期及持續(xù)天數(shù)

2.2 1960—2018年宜賓風(fēng)效指數(shù)年際、年內(nèi)變化特征分析

從年際變化特征來(lái)看(圖3)，風(fēng)效指數(shù)(IWE)年際間變化幅度較小，總體上為上升趨勢(shì)，上升趨勢(shì)顯著.風(fēng)效指數(shù)的年際變化特征表明，宜賓59 a來(lái)處于較舒適到不舒適等級(jí)范圍中，人體感覺(jué)偏涼、偏冷.IWE總體上向涼風(fēng)等級(jí)的方向發(fā)展.

圖3 1960—2018年宜賓風(fēng)效指數(shù)年際變化特征

從不同舒適等級(jí)的年內(nèi)月份分布來(lái)看(圖4)，在6月，IWE在-300～-200之間，人體感覺(jué)為舒適風(fēng)，屬于舒適A等級(jí).在7—8月,IWE在-200～50范圍之間，人體感覺(jué)為暖風(fēng)，為B 較舒適等級(jí).在4—5月、9月，IWE在-600～-300之間，人體感覺(jué)為涼風(fēng)，屬于b 較舒適等級(jí).在1—2月、11—12月，IWE在-800～-600之間，為稍冷風(fēng)，屬于較不舒適c等級(jí).

從各月舒適等級(jí)的天數(shù)來(lái)看(圖4)，舒適期大致6月到達(dá)峰值，舒適期主要在4—10月.6月份的較舒適和舒適等級(jí)的天數(shù)最多，59 a月平均有28 d.從各舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)來(lái)看(圖 2～圖4)，舒適A等級(jí)天數(shù)6月最多，平均8 d.較舒適B等級(jí)(暖風(fēng))天數(shù)7月最多，平均13 d；較舒適 b 等級(jí)(涼風(fēng))天數(shù)10月最多，平均17 d.

圖4 風(fēng)效指數(shù)和不同舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)的59 a平均月變化

從舒適期的近59 a變化來(lái)看(表4)，不同舒適等級(jí)的初始日期變化明顯，隨著年代變化，舒適b 等級(jí)在不同年際的初始日期開(kāi)始于1月中下旬和2月初，舒適A等級(jí)基本在1月開(kāi)始，也有部分開(kāi)始于2月和3月.舒適B 等級(jí)集中于3月，也有少部分在2—5月.

表4 1960—2018年風(fēng)效指數(shù)舒適期變化狀況

舒適b 等級(jí)在不同年際的終止日期均在12月.舒適A等級(jí)大部分結(jié)束在12月，一部分在11月和10月.舒適B等級(jí)基本上結(jié)束于11月份，一部分在9月、10月和12月.

2.3 1960—2018年宜賓著衣指數(shù)年際、年內(nèi)變化特征分析

從年際變化特征來(lái)看(圖5)，著衣指數(shù)(ICL)年際間的變化幅度較小，總體上趨勢(shì)平緩.著衣指數(shù)(ICL)59 a來(lái)的最高值在2018年的1.111，1986年為最低值0.294.兩者相差0.817.

圖5 1960—2018年宜賓著衣指數(shù)年際變化特征

從59 a平均月變化來(lái)看(圖6)，宜賓的著衣指數(shù)(ICL)為明顯的低谷型，隨著日照和風(fēng)速的變化而變化.1月ICL最高1.338，宜穿襯衫和便服.之后ICL不斷下滑，在7月時(shí)最低0.2，宜穿熱帶單衣.自8月之后，ICL呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，于12月增至1.15，也宜穿襯衫和便服.

從不同舒適等級(jí)的年內(nèi)月份分布來(lái)看(圖6)，在1-4月和10-12月，ICL在0.7～1.3之間，屬于A 舒適等級(jí).在5月，ICL在0.5～0.7之間，屬于B較舒適等級(jí).在6月、9月，ICL在0.3～0.5之間，屬于C 較不舒適等級(jí).在7月、8月,ICL在0.1～0.3范圍之間，為D不舒適等級(jí).

從各月舒適等級(jí)的天數(shù)來(lái)看(圖6)，舒適期10月到峰值，為3—5月和9—10月.在10月，較舒適、舒適等級(jí)范圍持續(xù)天數(shù)最多，近59 a月平均有27 d.

圖6 著衣指數(shù)和不同舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)的59 a平均月變化

從著衣指數(shù)舒適期的59 a變化來(lái)看(表5)，舒適b 等級(jí)在不同年際的初始日期開(kāi)始于1月末和2月初.舒適A等級(jí)基本開(kāi)始于2月末和3月初.舒適B等級(jí)均在4月份開(kāi)始.舒適b 等級(jí)終止日期大多數(shù)在12月，但在1996—2000年間開(kāi)始于11月下旬.舒適A等級(jí)均在12月結(jié)束.舒適B等級(jí)結(jié)束于9月，在1971—1975年間結(jié)束于10月下旬.

表5 1960—2018年著衣指數(shù)舒適期變化狀況

2.4 1960-2018年宜賓舒適度綜合指數(shù)年際、年內(nèi)變化特征分析

從年際變化特征來(lái)看(圖7)，舒適度綜合指數(shù)(ICC)年際間的變化幅度較小，除個(gè)別年份波動(dòng)較大，總體上趨勢(shì)平緩.

圖7 1960—2018年宜賓舒適度綜合指數(shù)變化趨勢(shì)

舒適度綜合指數(shù)的年際變化特征表明：宜賓59 a來(lái)為較舒適等級(jí)，表現(xiàn)為較舒適向舒適等級(jí)范圍變化趨勢(shì).

從59 a平均月變化來(lái)看(圖8)，宜賓的舒適度綜合指數(shù)(ICC)為明顯的雙峰型，受到各種氣候要素和人體體感的影響，體現(xiàn)了區(qū)域氣候舒適度的變化特征.1月ICC為最低的4.25.在10月份到達(dá)峰值，為7.31.

從不同舒適等級(jí)的年內(nèi)月份分布來(lái)看(圖8)，在1月、2月、7月、8月、12月，ICC在3≤ICC<5 間，為較不舒適等級(jí)之間.在3—6月、9月、11月，ICC在5≤ICC<7 時(shí)為較舒適等級(jí)之間.在10月，ICC在7≤ICC≤9之間，為舒適等級(jí).

從各月舒適等級(jí)的天數(shù)來(lái)看(圖8)，舒適期大致在10月到達(dá)峰值，舒適期分布在3—6月和9—11月.3月平均25 d，4月平均29 d，5月平均28 d，6月份平均22 d，9月份平均有25 d，11月份平均有26 d.10月份的舒適等級(jí)和較舒適的天數(shù)最多，59 a月平均有30 d.

從各舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)來(lái)看(圖8)，舒適等級(jí)天數(shù)10月最多，平均23 d;6月平均有18 d，較舒適等級(jí)天數(shù)最多；較不舒適等級(jí)天數(shù)1、4、7月最多，平均4 d.

圖8 舒適度綜合指數(shù)和不同舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)的59 a平均月變化

從綜合指數(shù)舒適期的59 a變化來(lái)看(表6)，不同舒適等級(jí)的初始日期變化明顯，隨著年代變化，舒適等級(jí)在不同年際的初始日期開(kāi)始于2月和3月初.較舒適等級(jí)基本開(kāi)始于1月，在1960—1965年，開(kāi)始于2月初.

表6 1960—2018年舒適度綜合指數(shù)舒適期變化狀況

舒適等級(jí)在不同年際的終止日期大多數(shù)在12月結(jié)束，但在1971—1975年和2006—2015年開(kāi)始于12月初.較舒適等級(jí)基本在12月結(jié)束，1971—1975年在11月下旬結(jié)束.

3 結(jié) 論

(1)從氣候舒適性年際變化特征來(lái)說(shuō)，溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)的年際變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，著衣指數(shù)、綜合指數(shù)年際變化不大；溫濕指數(shù)年際變化幅度較大，其余指數(shù)較小；59 a來(lái)，除了風(fēng)效指數(shù)外，各項(xiàng)指數(shù)均處于舒適等級(jí)范圍中，并朝著這個(gè)方向發(fā)展.

(2)氣候舒適度年內(nèi)變化表現(xiàn)為：各項(xiàng)指數(shù)均呈現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)變化.溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)均在1月和7月分別達(dá)到最低值和最高值，著衣指數(shù)正好相反.綜合指數(shù)在1月有最低值，4月、10月有峰值.

(3)不難看出，宜賓地區(qū)年內(nèi)溫濕指數(shù)、著衣指數(shù)、綜合指數(shù)的舒適期基本上在春季和秋季.風(fēng)效指數(shù)比較特殊，舒適期大部分在夏季.綜合、溫濕、著衣指數(shù)都在10月份持續(xù)天數(shù)最多，為較舒適等級(jí)和舒適等級(jí)，風(fēng)效指數(shù)則在6月持續(xù)天數(shù)最多.在最多的月份里，舒適期至少有27 d.

(4)宜賓59年各項(xiàng)指數(shù)不同舒適等級(jí)的初始日期、終止日期、持續(xù)天數(shù)的變化特征各有差異.氣候舒適度綜合指數(shù)較舒適和舒適等級(jí)的初始日期在1—3月，終止日期在11月下旬和12月.

(5)宜賓地區(qū)舒適度綜合指數(shù)舒適期的持續(xù)天數(shù)穩(wěn)定在116 d左右.并且初始日期和終止日期分別在春季和冬季,這說(shuō)明宜賓市一年中近1/3的時(shí)間處于舒適期當(dāng)中，尤其是春季和秋季舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)多，人體體感舒適，人居環(huán)境較好，宜居宜業(yè).但在夏季氣候偏熱，不舒適天數(shù)較多，并不是能夠進(jìn)行避暑的好去處.不適宜劇烈運(yùn)動(dòng)，戶外運(yùn)動(dòng)應(yīng)該減少.