赤水市人體舒適度指數(shù)特征分析

郭曉超，肖 蕾

(1.貴州省赤水市氣象局，貴州 赤水 564700；2.貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563002)

0 引言

溫度、濕度、風(fēng)等氣象要素構(gòu)成了人類賴以生存的氣象環(huán)境，影響著人體與大氣環(huán)境之間的熱量交換，人體通過自身體溫調(diào)節(jié)以維持恒定的體溫，當(dāng)環(huán)境溫度與體溫之差不同時，人體感受到的舒適程度不同。人體舒適度是以人類機體與大氣環(huán)境之間熱交換原理為基礎(chǔ)，從氣象學(xué)角度來定量評價人類在不同氣候條件下舒適感的一項生物氣象指標(biāo)[1,2]。為了分析人體舒適度的氣候特征及其對人類生產(chǎn)生活的影響，從20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)不少學(xué)者對此陸續(xù)開展了廣泛研究，如肖晶晶等[3-5]使用逐日氣象資料采用人體舒適度指數(shù)對環(huán)境氣候適宜度特征進行分析; 柏秦鳳等[6]分析了人體舒適度指數(shù)與旅游療養(yǎng)的關(guān)系；辛學(xué)飛等[7]使用兩種人體舒適度評定方法對張家界國家森林公園旅游舒適度進行對比分析和評價；秦海超等[8]人體舒適度指數(shù)在短期電力負荷預(yù)測中的應(yīng)用。

人體舒適度指數(shù)的計算方法有多種，而影響人體舒適度的氣象要素主要有氣溫、濕度和風(fēng)速，因此本文選擇包含氣溫、濕度和風(fēng)速的方法進行計算。氣溫、濕度、風(fēng)速等氣象要素在一天之中變化較大，前人使用逐日氣象資料來分析人體舒適度指數(shù)年、季度、月等氣候特征具有一定的局限性，本文使用逐小時氣象資料來分析人體舒適度的氣候特征，為人民生產(chǎn)生活、旅游氣候資源優(yōu)勢的綜合開發(fā)以及氣象部門開展旅游氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

使用2005—2017年赤水國家氣象觀測站逐小時平均氣溫、相對濕度和10 min平均風(fēng)速。以上氣象要素資料存在少量缺測，其中溫度缺測202時次，占比0.18%；濕度缺測191時次，占比0.17%；風(fēng)速缺測389時次，占比0.34%。

當(dāng)y年m月d日h時出現(xiàn)缺測時，使用以下方法來進行估算：

(1)

其中，N是2005—2017年m月d日h時有效測量數(shù)據(jù)個數(shù)，xi是對應(yīng)有效測量數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

研究表明，人體舒適感及其生理功能受到氣溫、濕度、風(fēng)速等多種氣象要素的影響[9-10]，其中氣溫對人體舒適感的影響最大，當(dāng)有效氣溫處于17～24 ℃時，人體舒適感最佳，受大氣濕度的影響甚微；當(dāng)氣溫較高或較低時，大氣濕度的波動對人體舒適感的影響很大，相對濕度在60%～70%之間對人類健康最有利；對人體最適宜的風(fēng)速為2 m/s，當(dāng)風(fēng)速在3級以下時，對人體舒適感的影響很小。

本文采用吳兌等人[11]所編著的《環(huán)境氣象學(xué)與特種氣象預(yù)報》中人體舒適度指數(shù)(ITH)的計算公式：

(2)

其中t、f、v分別為氣溫(℃)、相對濕度(%)、風(fēng)速(m/s)。

按照中國氣象局規(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[12]，將人體舒適度指數(shù)劃分為1～9個等級，每個等級分別對應(yīng)相應(yīng)的體感狀態(tài)，如表1所示。

表1 人體舒適度指數(shù)等級劃分Tab.1 Classification of Human Comfort Index

2 結(jié)果與分析

2.1 人體舒適度的等級分布

使用公式(2)計算赤水市2005—2017年逐小時人體舒適度指數(shù)，并按照表1將人體舒適度指數(shù)分為9個等級，統(tǒng)計每個等級出現(xiàn)時數(shù)占總時數(shù)的比例(圖1)。赤水處于最舒適的時次最多，占比33.88%，處于涼爽到暖和(-1～1等級)的時次占比65.38%；沒有寒冷到使人有凍傷危險的天氣(-4等級)，有2%的時次為很冷天氣(-3等級)，多數(shù)人感覺不舒適，需要做好保暖措施；0.01%的酷熱天氣(4等級)時段使人感覺很不舒適，易中暑，1.57%的炎熱天氣使多數(shù)人感覺不舒適，有中暑危險。總體來說，赤水大部分時段人體感覺舒適，但有少量的酷熱和炎熱天氣時段要注意防暑，少量的偏冷時段需要注意防寒保暖。

圖1 赤水市人體舒適度天氣等級分布Fig.1 Weather Grade Distribution of Human Comfort in Chishui City

2.2 偏冷天氣氣候特征分析

赤水沒有寒冷天氣，為便于分析偏冷天氣年、月、日分布特征，將1 d之內(nèi)存在1 h及以上偏冷天氣記為1個偏冷日。統(tǒng)計2005—2017年每年偏冷日數(shù)(圖2)，呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(圖1)，最少為2015年的10 d，最多為2008年的46 d，少于20 d有5 a，20～30 d之間有4 a，30～40 d之間有3 a，大于40 d有1 a。

圖2 偏冷日數(shù)年際變化Fig.2 Interannual Variation of Partially Cold Days

統(tǒng)計偏冷日數(shù)開始日期和結(jié)束日期(圖3)，可以看出，偏冷天氣開始日期最早是2006年的11月6日，最遲是2016—2017年冬季，寒冷天氣出現(xiàn)在2017年1月11日，開始日期在12月份的有11 a，占比85%。偏冷天氣結(jié)束日期最早是2007年的1月29日，最遲是2011年的3月15日，其中在1月份結(jié)束的有2 a，在2月份結(jié)束的有6 a，在3月份結(jié)束的有5 a。

圖3 偏冷日數(shù)開始日期和結(jié)束日期的年際變化Fig.3 Interannual Variations of Start and End Dates of Partially Cold Days

統(tǒng)計11月1日—次年3月31日每個日期出現(xiàn)偏冷天氣日數(shù)，再除以相同日期的總?cè)諗?shù)13，作為偏冷天氣出現(xiàn)概率(圖4)，概率大于50%的日期均在1月份，概率大于40%的日期除12月21日外，其它都出現(xiàn)在1月份，概率大于20%的日期出現(xiàn)在12月中旬—2月中旬，11月上旬—12月上旬和2月下旬—3月中旬可能出現(xiàn)寒冷天氣，但概率較低。

圖4 偏冷天氣出現(xiàn)概率Fig.4 Probability of Partially Cold Weather

統(tǒng)計2005—2017年期間，00—23時出現(xiàn)偏冷天氣的次數(shù)(圖5)，偏冷天氣常常出現(xiàn)在后半夜到上午，04—11時均出現(xiàn)150次以上，最多是08時的207次，13—21時均出現(xiàn)100次以下，最少為14時的30次。上午為人民群眾外出活動較為集中時段，在偏冷天氣要注意采取保暖措施。

圖5 不同時間寒冷出現(xiàn)時次Fig.5 Cold occurrence times at different times

2.3 熱不舒適天氣氣候特征分析

將炎熱和酷熱天氣稱為熱不舒適天氣，2005—2017年僅僅出現(xiàn)6個時次酷熱天氣，其中，2006年有4個時次，分別是7月15日15時、7月16日12時和13時、7月21日15時，2014年有2個時次，分別是7月30日16時和2017年8月7日16時，酷熱天氣出現(xiàn)次數(shù)雖少，但中暑的風(fēng)險較高，要注意采取防暑措施。將1 d之內(nèi)存在1 h及以上炎熱天氣記為1個炎熱日(圖6)，炎熱日數(shù)最多為2006年的54 d，最少為2008年的16 d，炎熱日數(shù)在20～30 d之間有7 a，占比54%，呈緩慢增多的趨勢。

圖6 炎熱日數(shù)年際變化Fig.6 Interannual Variation of Hot Days

統(tǒng)計炎熱天氣開始和結(jié)束日期(圖7)，炎熱天氣開始最早是6月10日，最遲是7月8日，開始日期在6月中旬有4次，占比31%，在6月下旬有5次，占比38%，在7月上旬有4次，占比31%。炎熱天氣結(jié)束日期最早是8月8日，最遲是9月23日，結(jié)束日期較為分散，在8月中旬有3次，在8月下旬有4次，在9月上旬有1次，在中旬有2次，在9月下旬有2次。

圖7 炎熱天氣開始和結(jié)束日期的年際變化Fig.7 Interannual variations in start and end dates of hot weather

統(tǒng)計2005—2017年期間，6月10日—9月30日每天出現(xiàn)炎熱天氣的概率(圖8)，出現(xiàn)概率在50%以上的日期主要在7月下旬—8月中旬，出現(xiàn)概率在30%以上的日期主要集中在7—8月，6月和9月偶爾出現(xiàn)炎熱天氣，但概率較低。

圖8 熱不舒適天氣出現(xiàn)概率Fig.8 Probability of hot uncomfortable weather

統(tǒng)計2005—2017年不同時間炎熱天氣出現(xiàn)次數(shù)(圖9)，炎熱天氣出現(xiàn)在00—09時的非常少，其中07—08時從來沒有出現(xiàn)過，10—12時出現(xiàn)次數(shù)急劇上升， 13—15時出現(xiàn)次數(shù)均在200次以上，是炎熱天氣最為集中的時段，16—23時出現(xiàn)次數(shù)緩慢下降。

圖9 不同時間炎熱天氣出現(xiàn)次數(shù)Fig.9 Number of hot weather occurrences at different times

2.4 舒適天氣氣候特征分析

將1 d之內(nèi)所有時次人體舒適度指數(shù)均為-1～1等級時記為1個舒適日，統(tǒng)計2005— 2017年舒適日數(shù)，呈現(xiàn)逐漸增多趨勢，最多為2015年的176 d，最少為2010年的135 d(圖10)，年平均舒適天氣152 d。

圖10 舒適日數(shù)年際變化Fig.10 Interannual variation of comfort days

統(tǒng)計平均月舒適日數(shù)(圖10)，可以看出，舒適天氣除1月份外，其他月份均有出現(xiàn)，舒適日數(shù)最多為10月的27.8 d，4、5、9、10月均為20 d以上，3、6、11月出現(xiàn)日數(shù)在10～20 d之間。因此，4、5、9、10月是最舒適季節(jié)，這段時期也是赤水旅游的高峰期。

圖11 年平均月舒適天氣日數(shù)Fig.11 Annual average monthly days of comfortable weather

3 結(jié)論和討論

利用赤水國家氣象觀測站2005—2017年平均氣溫、相對濕度、10 min平均風(fēng)速的小時數(shù)據(jù)計算人體舒適度指數(shù)，著重分析偏冷天氣、熱不舒適天氣和舒適天氣的氣候特征，研究結(jié)果表明：

①赤水冬季較為暖和，沒有寒冷天氣；偏冷天氣較少，主要出現(xiàn)在12月中旬—2月中旬，1月份出現(xiàn)概率最高，最大日偏冷天氣概率達62%(1月22日、1月27日)；偏冷天氣在04—11時出現(xiàn)概率較高，最高為08時，13—21時出現(xiàn)概率較低，14出現(xiàn)概率最低，上午是人民群眾外出活動較為集中時段，需要做好保暖措施。

②酷熱天氣極少，僅出現(xiàn)6個時次；炎熱天氣主要出現(xiàn)在7、8月份，其中7月下旬—8月上旬出現(xiàn)概率較高，最大日炎熱天氣概率達77%(7月21日、7月30日、7月31日)；炎熱天氣在13—15時出現(xiàn)概率較高，16—23時出現(xiàn)概率緩慢下降，00—09時出現(xiàn)概率較低，在炎熱日應(yīng)盡量減少午后外出。

③赤水涼爽到暖和(-1～1等級)時次占比65.38%，其中最舒適時次占比33.88%；舒適天氣最多為2015年的176 d，最少為2010年的135 d，年平均舒適日數(shù)152 d；舒適天氣4、5、9、10月出現(xiàn)概率較高。

④赤水是重要的旅游城市，外來游客多，赤水舒適天氣較多，季節(jié)分布特征明顯，在4、5、9、10月份應(yīng)該加大旅游宣傳、增加旅游項目，吸引游客到赤水旅游；12月中旬到2月中旬，偏冷天氣多，應(yīng)引導(dǎo)游客下午外出旅游，上午可適當(dāng)增加室內(nèi)游玩項目；7、8月份熱不舒適天氣多，應(yīng)多開發(fā)早晨和上午的旅游項目，如觀看日出。

⑤與使用日平均氣象要素分析人體舒適度相比，基于小時分析舒適度具有以下特征：可以詳細了解一天之內(nèi)舒適度變化特征，便于人民群眾使用人體舒適度氣候特征趨利避害，更好指導(dǎo)生產(chǎn)生活；旅游公司可以利用人體舒適度日變化特征和季節(jié)變化特征，針對性開發(fā)旅游項目，提升游客體驗；只要1 d之內(nèi)有1個時次出現(xiàn)熱不舒適天氣或偏冷天氣，則記為熱不舒適日或偏冷日，因此標(biāo)準(zhǔn)更低，相應(yīng)統(tǒng)計日數(shù)更多。

⑥赤水海拔差異大，立體氣候特征明顯，特別是一些旅游景區(qū)和高山度假區(qū)與城區(qū)氣象要素差異大。由于赤水區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)連續(xù)性差，可獲取時間短，本文僅使用位于城區(qū)的赤水國家氣象觀測站數(shù)據(jù)分析人體舒適度氣候特征，代表性不夠，需要后期繼續(xù)完善。