氣候變暖背景下保定市人體舒適度變化分析

安海霞 安海濤 張建波 馮志強(qiáng) 韓英杰

摘要：利用保定市12個氣象站1971—2010年的氣象數(shù)據(jù)以及人體舒適度指數(shù)（DI）公式計(jì)算了該地區(qū)不同地貌環(huán)境下的人體舒適度指數(shù)。結(jié)果表明，保定市體感較舒適的月份出現(xiàn)在4、5、6、8、9月，山區(qū)部分在7月仍維持著偏暖較舒適的狀態(tài)，平原地區(qū)和濕地地區(qū)在10月仍然維持較舒適的狀態(tài);該地區(qū)的冷不舒適天數(shù)呈波動減少趨勢，變化明顯;舒適天數(shù)呈波動減少趨勢，變化不明顯;熱不舒適天數(shù)呈顯著增加的趨勢，變化明顯;該地區(qū)的舒適度指數(shù)存在周期性變化，以16年的周期最為明顯;該地區(qū)冷不舒適的天數(shù)由西北部向東南遞減。舒適出現(xiàn)天數(shù)西部山區(qū)和東北部較多，熱不舒適出現(xiàn)天數(shù)由西北向東南遞增。

關(guān)鍵詞：人體舒適度指數(shù);皮爾遜相關(guān)系數(shù);Morlet小波分析

中圖分類號：P463? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）20-0050-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.011? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

The analysis of body comfort index in Baoding city under

the background of climate change

AN Hai-xia1，AN Hai-tao2，ZHANG Jian-bo1，F(xiàn)ENG Zhi-qiang1，HAN Ying-jie2

（1.Xingtai Meteorological Bureau，Xingtai 054000，Hebei，China;2.Baoding Meteorological Bureau， Baoding 071000，Hebei，China）

Abstract： Based on the meteorological data from 1971 to 2010 of 12 meteorological stations in Baoding city and the body comfort index （DI） formula， the body comfort index of different landforms in the area was calculated. The results showed that： The time which was more comfortable appeared in April， May， June， August and September in Baoding city. The mountain area maintained comfortable state in July， and the plain and the wetland remained relatively comfortable in October. The trend of change about cold discomfort days was reduced significantly. The trend of change about comfortable days was decreased too， but the change rate was not obvious. The trend of change about heat discomfort was increased significantly， and the change rate was obvious. The body comfort index of this area had some periodic changes， and the most obvious of the cycle was 16-year. The days of cold discomfort were decreased from northwest to the southeast. The days of comfort were more longer in the western and the northeast than the others in Baoding city， the days of thermal discomfort were increased from northwest to southeast in Baoding city.

Key words： the body comfort index; Pearson correlation coefficient; Morlet wavelet analysis

在氣候變暖的大背景下，近100年來中國地表氣溫增加尤為明顯，升溫幅度為0.5～0.8 ℃/年[1，2]。而華北地區(qū)作為增溫最為明顯的區(qū)域之一，1981—1999年年均溫增加幅度為0.5～1.0 ℃[3]。以增溫為主要特征的氣候變化將對中國生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響[4-8]。因此，對區(qū)域氣候變化在全球氣候變暖的大背景下響應(yīng)的研究就顯得尤為必要。

氣候舒適度的研究最早起源于國外，1916年，Hill等[9]采用模擬的方法度量環(huán)境對人體散熱強(qiáng)度的影響，研制出了卡他溫度計(jì)。20世紀(jì)20年代，英國學(xué)者Houghton等[10]提出有效溫度，用其表征熱感覺指標(biāo)。Olive[11]提出用氣溫-濕度指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)來評價氣候?qū)θ梭w的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們提出了很多復(fù)雜的熱量平衡模型，比較著名的有丹麥學(xué)者Fanger提出的熱舒適方程;美國生物學(xué)家Steadman提出的感熱溫度理論[12，13]。國內(nèi)的研究起步較晚，在20世紀(jì)90年代以后取得了較快的發(fā)展。全國各地區(qū)結(jié)合本地氣候特點(diǎn)，建立了適合本地的氣候舒適度模型，并進(jìn)行了各地的氣候舒適度的預(yù)報服務(wù)[14-19]。

保定市地處華北平原北部，位于38°10′—40°00′N，113°40′—116°20′E，境內(nèi)存在山地、平原、濕地三大地貌單元，旅游資源豐富。在氣候變暖的大背景下，多地貌的保定市氣候隨之改變[20]，因此深入分析該地區(qū)人體舒適度的變化規(guī)律，對該地區(qū)合理利用生態(tài)系統(tǒng)、氣候資源開發(fā)、宜居環(huán)境以及旅游具有重要的指導(dǎo)意義。

1? 資料與方法

1.1? 資料來源

考慮到保定市各氣象站建站時間的長短以及觀測項(xiàng)目的不同，本研究采用河北省氣象局氣象信息中心提供的1971—2010年保定市12個氣象站的逐日氣溫、降水、相對濕度、風(fēng)速的氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行逐月、各季、年的整理，得到本研究所需的各類氣象資料。所采用的氣象站的地理坐標(biāo)見表1。氣象站站點(diǎn)分布見圖1。

1.2? 研究方法

由于地理位置、氣候等差異，目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一的人體舒適度計(jì)算方法，不同地區(qū)對于人體舒適度的研究大多針對當(dāng)?shù)厍闆r，修正推演出當(dāng)?shù)剡m用的人體舒適度計(jì)算公式。保定市地處華北，且為內(nèi)陸地區(qū)，屬大陸性季風(fēng)氣候。因此本研究采用孫廣祿等[21]在研究京津冀地區(qū)的人體舒適度時空特征時采用的公式。公式如下：

DI=1.8T+0.55（1-RH）+31-3.2

式中，DI為人體舒適度指數(shù);T為平均氣溫;RH為相對濕度;V為平均風(fēng)速。

按照中國氣象局規(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，人體舒適度等級劃分如表2所示。

統(tǒng)計(jì)方法采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)、Morlet小波分析，空間插值采用最優(yōu)內(nèi)插法Kriging插值[22-28]。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 保定市人體舒適度指數(shù)月的年變化

利用1971—2010年保定市12個氣象站的逐月平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行人體舒適度指數(shù)的計(jì)算，各項(xiàng)區(qū)域平均的人體舒適度指數(shù)見表3。由表3可以看出，保定市不同地貌人體舒適度指數(shù)變化相似，不舒適的月份均出現(xiàn)在1、2、11、12月，較舒適的月份均出現(xiàn)在4、5、6、8、9月，但不同地貌下的變化又有所不同，具體表現(xiàn)在3月，平原人體舒適度指數(shù)較濕地和山區(qū)變化較快，由較冷變?yōu)槠洌瑵竦睾蜕絽^(qū)還維持在較冷的狀態(tài)，在7月，平原和濕地均進(jìn)入了偏熱不舒適的狀態(tài)，而山區(qū)變化緩慢，還維持在偏暖較為舒適的狀態(tài)，10月平原和濕地維持在略偏涼較舒適的狀態(tài)，而山區(qū)則進(jìn)入了較冷不舒適的狀態(tài)。

由圖2可以看出，保定市不同地貌下的人體舒適度指數(shù)變化較為一致，其變化特征與溫度變化有較高的一致性，最低值均出現(xiàn)在1月，最高值均出現(xiàn)在7月，由人體舒適度指數(shù)的月變化（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，在這3個區(qū)域中，平原區(qū)域的人體舒適度指數(shù)在不同月份中始終維持在最大值，山區(qū)和濕地的人體舒適度指數(shù)隨著月份的變化發(fā)生著交替，但在7月人體舒適度指數(shù)維持在2級偏熱的狀態(tài)，山區(qū)人體舒適度指數(shù)處于這3個區(qū)域中當(dāng)月的最低值。

2.2? 人體舒適度指數(shù)的年變化

在人體舒適度指數(shù)的變化統(tǒng)計(jì)中，將出現(xiàn)-4、-3、-2級出現(xiàn)的天數(shù)統(tǒng)稱為冷不舒適，將-1、0、1級出現(xiàn)的天數(shù)統(tǒng)稱為舒適，將2、3、4級出現(xiàn)的天數(shù)統(tǒng)稱為熱不舒適。對1971—2010年上述3個舒適度等級出現(xiàn)的日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用以發(fā)現(xiàn)在氣候變化的大氣候下人體舒適度指數(shù)的變化規(guī)律。

2.2.1? 趨勢變化特征? 計(jì)算1971—2010年研究區(qū)域的12個縣市的人體舒適度指數(shù)，篩選出不同年份冷不舒適、舒適、熱不舒適出現(xiàn)的天數(shù)，分別求其區(qū)域平均并進(jìn)行一元趨勢分析。由圖3a可知，保定市冷不舒適多年平均天數(shù)為177 d，呈減少趨勢，趨勢減少量為2.900 d/10年，近40年減少了12 d。不同地貌條件下，平原區(qū)域冷不舒適多年平均天數(shù)為174 d，呈減少趨勢，趨勢減少量為3.500 d/10年，近40年減少了15 d;濕地區(qū)域冷不舒適多年平均天數(shù)為177 d，呈微弱減少趨勢，趨勢減少量為0.004 d/10年，近40年減少量微乎其微;山區(qū)區(qū)域冷不舒適多年平均天數(shù)為183 d，呈減少趨勢，趨勢減少量為2.6 d/10年，近40年減少了11 d。全市、平原和山區(qū)的冷不舒適天數(shù)減少趨勢通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，濕地的冷不舒適天數(shù)幾乎無變化。

保定市舒適天數(shù)多年平均為151 d，呈減少趨勢，趨勢減少量為1.6 d/10年，近40年減少了7 d（圖3b）。不同地貌條件下，平原區(qū)域舒適天數(shù)多年平均為151 d，呈減少趨勢，趨勢減少量為2.5 d/10年，近40年減少了10 d;濕地區(qū)域舒適天數(shù)多年平均為149 d，呈減少趨勢，趨勢減少量為2.4 d/10年，近40年減少了10 d;山區(qū)區(qū)域舒適天數(shù)多年平均為151 d，呈減少趨勢，趨勢減少量為0.2 d/10年，近40年減少了1 d，全市和不同區(qū)域的舒適天數(shù)的變化趨勢沒有通過顯著性檢驗(yàn)。

保定市熱不舒適天數(shù)多年平均天數(shù)為40 d，呈增加趨勢，趨勢增加量為4.5 d/10年，近40年增加了18 d（圖3c）。不同地貌條件下，平原區(qū)域熱不舒適天數(shù)多年平均為43 d，呈增加趨勢，趨勢增加量為5.9 d/10年，近40年增加了14 d，濕地區(qū)域熱不舒適天數(shù)多年平均天數(shù)為40 d，呈增加趨勢，趨勢增加量為2.4 d/10年，近40年增加了10 d，山區(qū)區(qū)域熱不舒適天數(shù)多年平均為34 d，呈增加趨勢，趨勢增加量為2.4 d/10年，近40年增加了10 d，全地區(qū)和不同區(qū)域的熱不舒適天數(shù)的變化趨勢均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

2.2.2? 周期變化特征? 對不同等級的舒適度進(jìn)行Morlet小波分析，以期找到不同舒適度的周期性變化規(guī)律，由圖4可以看出，保定市冷不舒適天數(shù)的年變化存在3～5年和準(zhǔn)16年的變化周期，其中以準(zhǔn)16年的周期最為明顯;舒適天數(shù)的年變化存在準(zhǔn)3年、準(zhǔn)16年的變化周期，以準(zhǔn)16年的周期變化明顯;熱不舒適天數(shù)的年變化存在2～3年和準(zhǔn)16年的變化周期，同樣以準(zhǔn)16年的周期變化較為明顯。不同地貌區(qū)域的周期性變化與全地區(qū)的周期變化相同。

2.2.3? 空間變化特征? 對12個縣市不同舒適度出現(xiàn)天數(shù)的多年平均值進(jìn)行空間分析，由圖5a可知，保定市冷不舒適的多年平均值由西北部的山區(qū)向東南平原遞減，南部山區(qū)的阜平-曲陽一線的冷不舒適天數(shù)較北部偏少，涿州-高碑店-安新一線冷不舒適天數(shù)較南部平原多，冷不舒適天數(shù)在唐縣滿城-保定一帶最少;舒適天數(shù)在西部山區(qū)和東北部的涿州出現(xiàn)較多，平原區(qū)向西南遞減，其中滿城存在1個高值區(qū)（150 d），唐縣存在1個低值區(qū)（144 d）;熱不舒適出現(xiàn)天數(shù)由西北向東南遞增，淶源附近的熱不舒適天數(shù)僅7 d左右，曲陽-易縣-蠡縣-定州圍成的區(qū)域內(nèi)熱不舒適天數(shù)最多，其中以唐縣-保定一帶最為明顯。

冷不舒適出現(xiàn)天數(shù)的趨勢變化由南向北遞減，保定市周邊（-0.38）由于受城市熱島效應(yīng)的影響，變化幅度較大，安新由于地處白洋淀中心，受濕地調(diào)節(jié)的作用，變化幅度最?。?.000 38），淶源-唐縣附近是受氣候變暖影響最大的地區(qū)，冷不舒適天數(shù)的變化趨勢減少的最多;舒適出現(xiàn)天數(shù)的趨勢變化明顯，阜平-淶源一線和曲陽-易縣一線中間的0 d的等值線非常明顯，以西、以北表現(xiàn)為增加的趨勢，以東、以南為減少的趨勢，表明保定市的深山區(qū)為舒適天數(shù)變化趨勢增加的地帶，低山區(qū)、平原和濕地為舒適天數(shù)變化趨勢減少的地帶，尤其以易縣-保定-蠡縣以東為減少趨勢的高值區(qū);隨著氣候的變化，保定市熱不舒適天數(shù)的變化趨勢在全區(qū)均表現(xiàn)為增加的趨勢，趨勢變化由西部山區(qū)向平原遞增，唐縣附近的增加趨勢最為明顯（0.72），其次的高值區(qū)為保定市附近和易縣附近，受白洋淀濕地的影響，在濕地外圍熱不舒適天數(shù)的變化呈減少的趨勢，同樣表明濕地對氣候變暖的延緩作用。

3? 小結(jié)

利用人體舒適度指數(shù)（DI）公式計(jì)算了1971—2010年保定市不同地貌環(huán)境下的人體舒適度指數(shù)，并對其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出結(jié)論如下。

1）保定市人體感覺較舒適的月份出現(xiàn)在4、5、6、8、9月，保定市的山區(qū)部分在7月維持著偏暖較舒適的狀態(tài)，平原部分和濕地部分在10月仍然維持較舒適的狀態(tài)，山區(qū)則進(jìn)入了較冷的天氣。

2）保定市冷不舒適天數(shù)呈波動減少趨勢，且變化明顯，除了濕地外全部通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，舒適天數(shù)呈波動減少趨勢，但變化趨勢沒有通過任何顯著性檢驗(yàn)，趨勢變化不明顯，熱不舒適天數(shù)呈顯著增加的趨勢，趨勢變化通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

3）保定市冷不舒適天數(shù)的年變化存在3～5年和準(zhǔn)16年的變化周期，其中以準(zhǔn)16年的周期最為明顯;舒適天數(shù)的年變化存在準(zhǔn)3年、準(zhǔn)16年的變化周期，以準(zhǔn)16年的周期變化明顯，熱不舒適天數(shù)的年變化存在2～3年和準(zhǔn)16年的變化周期，同樣以準(zhǔn)16年的周期變化較為明顯。

4）保定市冷不舒適的多年平均值由西北部的山區(qū)向東南平原遞減;舒適出現(xiàn)天數(shù)西部山區(qū)和東北部的涿州較多;平原區(qū)向西南遞減;熱不舒適出現(xiàn)天數(shù)由西北向東南遞增，曲陽-易縣-蠡縣-定州的區(qū)域內(nèi)熱不舒適天數(shù)最多，以唐縣-保定一帶最為明顯。冷不舒適出現(xiàn)天數(shù)的趨勢變化由南向北遞減;舒適出現(xiàn)天數(shù)的趨勢變化明顯，阜平-淶源一線和曲陽-易縣一線中間的0 d的等值線非常明顯，以西、以北表現(xiàn)為增加的趨勢，以東、以南為減少的趨勢;隨著氣候的變化，保定市熱不舒適天數(shù)的變化趨勢在全區(qū)均表現(xiàn)為增加的趨勢，趨勢變化由西部山區(qū)向平原遞增，唐縣附近的增加趨勢最為明顯，其次的高值區(qū)為保定市附近和易縣附近，受白洋淀濕地的影響，在安新外圍熱不舒適天數(shù)的變化趨勢呈減少的趨勢。

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