銅川市人居環(huán)境氣候舒適度評價分析

徐浩天，張 雄，張淑敏，倪 聞

(1.銅川市氣象局，陜西銅川 727000；2.秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016)

人居環(huán)境由多種尺度、多種形式的人工環(huán)境和自然環(huán)境組合而成，其中人工環(huán)境具有明顯的地域性特征，自然環(huán)境則成為城市是否宜居的決定性因素之一，而氣候舒適度在很大程度上決定著人居環(huán)境的舒適與否[1-2]。氣候舒適度是以人體與近地大氣之間的熱力交換原理為基礎(chǔ)，從氣象角度分析評價人在不同氣候條件下體感舒適程度的生物氣象指標(biāo)[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]，同時，氣候也是重要的旅游資源之一，它決定著旅游地的質(zhì)量與旅游季節(jié)的長短等。

近年來隨著全球的氣候變化以及物質(zhì)生活水平的提高，氣候舒適度逐漸成為人們選擇居住環(huán)境及旅游地點(diǎn)的重要參考指標(biāo)?；凇度司迎h(huán)境氣候舒適度評價》(GB/T 27963—2011)的評價方法[7]，對銅川市“中國天然氧吧”創(chuàng)建條件中的氣候條件和氣候適宜性進(jìn)行評估，為銅川市人居環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)、挖掘旅游氣象資源及創(chuàng)建天然氧吧城市提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1.1 研究區(qū)域 銅川市位于陜西省中部，關(guān)中平原的北端，黃土高原的南緣，即關(guān)中盆地和陜北高原的交接地帶。它既是關(guān)中經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分，又是全國蘋果、大櫻桃等經(jīng)濟(jì)作物的最佳產(chǎn)區(qū)之一。銅川市呈西北高、東南低的傾斜地勢，屬暖溫帶大陸季風(fēng)性氣候，處于半濕潤暖溫帶向半干旱溫帶過渡區(qū)，是一個對氣候變化敏感的區(qū)域[8]。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源 選取了1981—2017年銅川市耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣三個國家氣象監(jiān)測站氣象觀測數(shù)據(jù)，主要包括氣溫、相對濕度、08—08時降水量、日照時數(shù)等氣象資料。耀州區(qū)國家基本氣象站海拔710.0 m，位于銅川市南部，其西部和北部為山區(qū)；王益區(qū)國家一般氣象站海拔978.9 m，位于銅川市中部，同時也是王益區(qū)海拔最高處；宜君國家一般氣象站海拔1 395.2 m，位于銅川市北端，自西向東山、丘、塬相連，呈階梯狀。

1.2 人居環(huán)境舒適度指數(shù)計(jì)算及等級劃分方法

1.2.1 溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù) 人居環(huán)境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)施的情況下對氣溫、濕度、風(fēng)速和日照等氣候因子感覺的適宜程度。利用“溫濕指數(shù)”和“風(fēng)效指數(shù)”作為人居環(huán)境舒適度的評價指標(biāo)。其中，溫濕指數(shù)是描述人體對溫度和濕度綜合感受的指數(shù)，反映在不同的溫度及濕度共同作用下的人體冷熱感覺；風(fēng)效指數(shù)是描述人體對風(fēng)、溫度和日照綜合感受的指數(shù)，反映體表與周圍環(huán)境間的熱交換[9]。按照《人居環(huán)境氣候舒適度評價》(GB/T 27963—2011)的規(guī)定，溫濕指數(shù)I和風(fēng)效指數(shù)K的計(jì)算見公式(1)及(2)。

I=T-0.55×(1-H)×(T-14.4)，

(1)

式中，I為某一評價時段的溫濕指數(shù)，T為該時段

的平均氣溫(℃)，H為該時段的平均相對濕度(%)。

(2)

式中，K為某一評價時段的風(fēng)效指數(shù)，V為該時段的平均風(fēng)速(m/s)，S為該時段的日平均日照時數(shù)(h/d)。

1.2.2 評價方法 根據(jù)《人居環(huán)境氣候舒適度評價》(GB/T 27963—2011)規(guī)定，對照人居環(huán)境舒適度等級劃分表(表1)，采用溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)計(jì)算結(jié)果，評價銅川市逐月舒適度等級。當(dāng)兩種指數(shù)不一樣時，冬半年使用風(fēng)效指數(shù)，夏半年使用溫濕指數(shù)；評價時段內(nèi)平均風(fēng)速>3 m/s的地區(qū)利用風(fēng)效指數(shù)來評價。確定月平均氣候舒適度為3級的月份為人居環(huán)境舒適月份。

表1 人居環(huán)境舒適度等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候背景條件

2.1.1 氣溫特征 銅川市年平均氣溫11.1 ℃，氣溫自北向南遞增，平原高于山區(qū)，耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣年平均氣溫分別為12.8、10.9和9.8 ℃。銅川市四季平均氣溫分別為12.0、22.2、11.1和-0.83 ℃，相鄰季節(jié)溫差在10 ℃左右，四季分明，春季升溫較快，秋季降溫明顯。其中，耀州區(qū)四季平均氣溫均高于王益區(qū)和宜君縣，王益區(qū)與宜君縣秋冬兩季平均氣溫差異較小。夏季耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣平均溫度均低于25 ℃，較為涼爽；冬季王益區(qū)和宜君縣平均氣溫低于0 ℃，分別為-1.2 ℃和-1.8 ℃(圖1)。

圖1 1981—2017年銅川市各區(qū)縣四季平均氣溫

從圖2和圖3可以看出，銅川市夏季最熱月份為7月，銅川市7月平均最高氣溫為28.4 ℃，耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣分別為30.7、29.0、25.6 ℃。夏季高溫日數(shù)(最高氣溫≥35 ℃)耀州區(qū)為6.9 d，王益區(qū)為1.5 d，宜君縣1981—2017年中僅2017年7月11日出現(xiàn)一次高溫(35.7 ℃)，夏季高溫出現(xiàn)概率低。銅川市冬季最冷月份為1月，銅川市1月平均最低氣溫為-6.1 ℃，耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣分別為―4.9、―6.9、―6.5 ℃。冬季冰凍日數(shù)(最低氣溫≤0 ℃)耀州區(qū)為77.4 d,王益區(qū)為84.5 d，宜君縣為80.3 d，出現(xiàn)冰凍日數(shù)的概率均占冬季日數(shù)的85%以上，冬季嚴(yán)寒天氣出現(xiàn)的可能性大。

圖2 1981—2017年銅川市各區(qū)縣月平均最高氣溫分布

圖3 1981—2017年銅川市各區(qū)縣月平均最低氣溫分布

2.1.2 降水特征 銅川市年平均降水量590.6 mm，耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣分別為528.5、578.7、664.7 mm，南北降水差異明顯，北多南少。降水受地形因素影響大，西北部山區(qū)降水多于平原地區(qū)，宜君縣年平均降水量明顯高于耀州區(qū)和王益區(qū)。銅川市7月降水量最多，耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣7月平均降水量分別為100.4、113.9、138.0 mm(圖4)。銅川市夏季降水集中，降水量占全年的50%以上。雨熱資源(氣溫和降水)在時間尺度上配置較好，隨著溫度的上升和下降，降水也呈現(xiàn)出上升和下降趨勢，氣溫與降水量分配呈同步變化。銅川市夏季降水多由強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生，降水密集且強(qiáng)度大，地域分布不均，局地性強(qiáng)，高溫時期也是雨水充沛期。

2.1.3 風(fēng)特征 耀州區(qū)年平均最多風(fēng)向?yàn)镹(北風(fēng))，王益區(qū)為NE(東北風(fēng))，宜君縣為SE(東南風(fēng))。銅川市年平均風(fēng)速2.54 m/s，耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣分別為2.64、2.17、2.82 m/s， 受海拔高度和地形影響，宜君縣年平均風(fēng)速大于耀州區(qū)和王益區(qū)。銅川市4月平均風(fēng)速3.02 m/s為全年最大，耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣分別為2.98、2.54、3.53 m/s。

圖4 1981—2017年銅川市各區(qū)縣降水量月分布

2.2 氣候適宜性

利用公式(1)和公式(2)分別計(jì)算出銅川市耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣各月的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)，并根據(jù)《人居環(huán)境氣候舒適度評價》(GB/T 27963—2011)規(guī)定，其中冬半年10—3月采用風(fēng)效指數(shù)評價，夏半年4—9月采用溫濕指數(shù)評價。由于宜君縣3—5月月平均風(fēng)速>3 m/s，因此宜君縣3—5月使用風(fēng)效指數(shù)評價人居環(huán)境舒適度等級。根據(jù)表1人居環(huán)境舒適度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，得出銅川市各區(qū)縣人居環(huán)境舒適度等級(表2)。

表2 銅川市各區(qū)縣人居環(huán)境各月舒適度指數(shù)和等級

銅川市整體10—3月月平均氣候舒適度為1級，人體感覺寒冷；夏季6—8月月平均氣候舒適度均為3級，人體感覺最舒適。其中耀州區(qū)10—3月人居環(huán)境舒適度等級為1級；4月人居環(huán)境舒適度等級2級；5—9月人居環(huán)境舒適度等級為3級，人體感覺最舒適。王益區(qū)和宜君縣人居環(huán)境舒適度等級全年相同，10—4月人居環(huán)境舒適度等級為1級；5月和9月人居環(huán)境舒適度等級2級，人體感覺偏冷；6—8月人居環(huán)境舒適度等級為3級舒適。耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣月平均舒適度等級相似度較高，差異體現(xiàn)在5月和9月，耀州區(qū)5月和9月舒適度等級為3級舒適，王益區(qū)和宜君縣均為2級偏冷。造成差異的原因在于耀州區(qū)位置偏南，海拔高度低于王益區(qū)和宜君縣，耀州區(qū)5月和9月平均氣溫(19.1、18.9 ℃)分別高于王益區(qū)(17.0、16.9 ℃)和宜君縣(15.9 、15.4 ℃)，因此5月和9月耀州區(qū)舒適度等級也高。

銅川市最寒冷月份為1月。通過對銅川市1月人居環(huán)境舒適度的日變化分析發(fā)現(xiàn)，銅川市耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣1月每日人居環(huán)境舒適度均為1級寒冷。人居環(huán)境舒適度等級同為1級的情況下，宜君縣體感更冷于耀州區(qū)和王益區(qū)。盡管銅川市平均氣溫自北向南遞增，但1月耀州區(qū)K為-773，小于王益區(qū)，耀州區(qū)比王益區(qū)人體感覺更為寒冷。通過對式(2)中計(jì)算K所需的氣象要素數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，耀州區(qū)1月月平均氣溫-1.1 ℃，高于王益區(qū)-2.8 ℃；平均風(fēng)速2.64 m/s，大于王益區(qū)2.05 m/s；日平均日照時數(shù)5.53 h/d，小于王益區(qū)5.90 h/d。盡管王益區(qū)平均氣溫低于耀州區(qū)，但受風(fēng)速及日照等氣象條件的影響，導(dǎo)致1月耀州區(qū)比王益區(qū)人體感覺更為寒冷。宜君縣由于位置偏北，海拔高度明顯高于耀州區(qū)、王益區(qū)，1月氣溫明顯偏低，因此也比耀州區(qū)、王益區(qū)更為寒冷。

銅川市全年最熱月份為7月，但銅川市7月平均氣溫僅為23.3 ℃，月平均最高氣溫28.4 ℃，出現(xiàn)高溫天氣的概率低，天氣涼爽，人居環(huán)境舒適度等級仍為3級舒適。7月宜君縣I為20.3，明顯低于耀州區(qū)(23.4)和王益區(qū)(22.0)。宜君縣海拔高并且森林植被覆蓋率也高，月平均氣溫低于耀州區(qū)和王益區(qū)；月平均相對濕度達(dá)73%，高于耀州區(qū)(68%)和王益區(qū)(72%)，受溫度和濕度的影響，7月宜君縣較耀州區(qū)和王益區(qū)體感更涼爽。為了進(jìn)一步研究7月銅川市各區(qū)縣人居環(huán)境舒適度等級的差異性，對比分析耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣人居環(huán)境舒適度等級的日變化，耀州區(qū)舒適度3級的日數(shù)為29 d，4級有2 d；王益區(qū)和宜君縣舒適度3級的日數(shù)均為31 d，且宜君縣7月日最低I值18.3，接近舒適度2級標(biāo)準(zhǔn)。在銅川市全年最熱月份中，耀州區(qū)舒適度為3級舒適水平，但仍可能出現(xiàn)高溫悶熱天氣；王益區(qū)和宜君縣整月舒適，宜君縣體感更為涼爽。

銅川市春季僅耀州區(qū)5月舒適度為3級，王益區(qū)和宜君縣5月舒適度2級。春季平均氣溫偏低，風(fēng)速大，人體感覺較冷。夏季舒適度最高，均為3級處于舒適水平，氣溫、濕度適中，日照充足，風(fēng)速較小，無熱及悶熱等不舒適感覺，且夏季宜君縣較耀州區(qū)和王益區(qū)體感更涼爽。秋季受連陰雨天氣影響，銅川市平均氣溫下降明顯，王益區(qū)及宜君縣9月舒適度為2級，體感較冷，10—11月耀州區(qū)、王益區(qū)和宜君縣舒適度均下降為1級寒冷。冬季氣溫低，風(fēng)速較大，室外人體感覺寒冷，人居環(huán)境舒適度均為1級。綜上可見，銅川市總體人居環(huán)境舒適度較高，最適宜居住時間長達(dá)3～5個月，其中夏季為居住旅游避暑的適宜期。

3 結(jié)論與討論

(1)銅川市四季分明，夏季涼爽多雨，冬季寒冷干燥；氣溫的升降與降水量的多少呈同步變化，7月氣溫與降水均為峰值，降水受地形因素影響大，西北部山區(qū)降水多于平原；全年4月平均風(fēng)速最大為3.02 m/s。

(2)銅川市全年無悶熱期，總體人居環(huán)境氣候舒適度較高，耀州區(qū)適宜期最長達(dá)5個月(5—9月)，王益區(qū)及宜君縣適宜期均為3個月(6—8月)。夏季人居環(huán)境舒適度等級均處于3級舒適，宜君縣相較耀州區(qū)和王益區(qū)體感更涼爽。10—3月氣溫偏低，體感寒冷，處于不舒適狀態(tài)，1月為全年體感最寒冷月份。

(3)僅從溫濕指數(shù)及風(fēng)效指數(shù)方面研究了銅川市人居環(huán)境氣候舒適度的總體分布。人體的舒適度感受除了受氣溫、濕度、風(fēng)及日照等的影響外，還受空氣質(zhì)量、氣壓和太陽輻射等的影響。要想對人居環(huán)境舒適度進(jìn)行系統(tǒng)、全面、綜合的評價，還需要從多個方面進(jìn)行綜合分析，取得更為客觀的結(jié)果。