基于不同氣象指數(shù)的舒適度評價方法＊

劉自牧 ，文 雯 ，袁 夢 ，3，黃 瑤

（1.四川省氣象服務(wù)中心，四川 成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；3.四川省農(nóng)村經(jīng)濟綜合信息中心，四川 成都 610072）

隨著社會各行業(yè)對氣象的依賴程度逐漸加深，人體氣象舒適度越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，早期學(xué)者已對舒適度評價模型開展了較多研究，如溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)、CIHB 人體舒適度指數(shù)等，這些指標(biāo)計算數(shù)據(jù)易于觀測、算法簡捷，成為現(xiàn)目前氣候舒適度評價的常用方法。但以往模型多基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，氣象要素較少，無法與人體熱生理狀態(tài)高度吻合。進入21 世紀(jì)后，國際生物氣象學(xué)協(xié)會綜合了生理、醫(yī)學(xué)、氣象學(xué)多領(lǐng)域，制定出熱氣候指標(biāo)（UTCI）。UTCI 特別突出了以往經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜎]有考慮的太陽輻射對體感溫度的影響[1]，本研究通過對比多個舒適度模型，以期揭示各舒適度指標(biāo)的適用性，為今后康養(yǎng)旅游氣候資源的挖掘、電力預(yù)測等方面提供新的思路。

1 資料與方法

1.1 溫濕指數(shù)（THI）

溫濕指數(shù)為兩要素指數(shù)，是利用大氣溫度和相對濕度表征人體在氣象環(huán)境中身體的舒服程度，溫濕指數(shù)計算公式為：

式（1）中：I為溫濕指數(shù)；Rh為某一評價時段平均空氣相對濕度，%；T為某一評價時段平均溫度，℃。

1.2 風(fēng)效指數(shù)（WEI）

風(fēng)效指數(shù)為三要素指數(shù)，是根據(jù)風(fēng)速、氣溫和日照時數(shù)得出的綜合指數(shù)，風(fēng)效指數(shù)計算公式為：

式（2）中：K為風(fēng)效指數(shù)，取整數(shù)；V為某一評價時段平均風(fēng)速，m/s；T為某一評價時段平均溫度，℃；S為某一評價時段平均日照時數(shù)，h/d。

溫濕指數(shù)與風(fēng)效指數(shù)對人體舒適度判定分級為5 級，標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 溫濕指數(shù)與風(fēng)效指數(shù)舒適度分級標(biāo)準(zhǔn)

1.3 人體舒適度指數(shù)（CIHB）

人體舒適度指數(shù)是根據(jù)人體與大氣環(huán)境之間的熱交換而制定的指標(biāo)，由溫度、濕度和風(fēng)速構(gòu)建的非線性經(jīng)驗方程，計算公式為：

式（3）中：T為溫度，℃；Rh為相對濕度，%；V為風(fēng)速，m/s。

人體舒適度指數(shù)分為9 級，標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

1.4 熱氣候指數(shù)

熱氣候指數(shù)是國際生物氣象學(xué)協(xié)會考慮多種氣候類型建立的多要素評估模型，綜合了人體熱調(diào)節(jié)模型[2]和自適應(yīng)穿衣模型[3]兩個模塊，是當(dāng)前考慮因素較全面，具有一定普適性的人體舒適度指標(biāo)。其計算較為復(fù)雜，Universal Thermal Climate Index 官網(wǎng)已給出計算程序，計算原理及其標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)境如圖1 所示。

熱氣候指數(shù)由溫度、相對濕度、風(fēng)速、輻射溫度四個氣象要素進行計算。其中氣溫、風(fēng)速、相對濕度可以通過氣象觀察數(shù)據(jù)直接獲得，輻射溫度的計算公式[4]為：

式（4）中：R為輻射強度，W·m-2·s-1。

表2 人體舒適度指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

圖1 通用熱氣候指數(shù)（UTCI）模型

現(xiàn)目前輻射強度的觀測數(shù)據(jù)較少，根據(jù)繆啟龍等[5]統(tǒng)計的西部山區(qū)晴天總輻射日總量及修訂方法推算得到。米易縣逐月晴天總輻射日總量如表3 所示。

國際生物氣象學(xué)協(xié)會給出的熱氣候評定標(biāo)準(zhǔn)分級如表4所示。

2 舒適度對比

為對比以上4 種氣象舒適度標(biāo)準(zhǔn)評價結(jié)果，本文選取位于四川省攀枝花市米易縣作為評價對象。米易縣位于青藏高原東南緣，四川省西南角，攀?；ㄊ袞|北部，安寧河與雅礱江交匯區(qū)。介于北緯 26°42′—27°10′，東經(jīng) 101°44′—102°15′之間，米易縣屬于南亞熱帶為基帶的干熱河谷氣候，因其優(yōu)越的氣候資源條件，快速成為氣候康養(yǎng)旅游的熱點城市。本文使用米易30 年歷史（1981—2010 年）氣象資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表3 米易縣逐月晴天總輻射日總量（單位：J·cm-2·d-1）

表4 熱氣候指數(shù)舒適度分級標(biāo)準(zhǔn)

米易縣逐月溫濕指數(shù)計算結(jié)果如表5 所示，3—10 月均為舒適度最高的3 級；2 月、11 月為2 級，感覺程度為“冷”；1 月、12 月為1 級，感覺程度為“寒冷”。根據(jù)溫濕指數(shù)計算的米易氣候舒適度總體呈現(xiàn)出冬季偏冷，春夏秋季舒適度高的氣候特征。

米易縣逐月風(fēng)效指數(shù)計算結(jié)果如表6 所示，3—10 月人體舒適度等級均為3 級，人體感覺程度“舒適”；11 月至次年2 月人體舒適度等級為2 級，人體感覺程度為“冷”?？傮w結(jié)論與溫濕指數(shù)一致，冬季偏冷，但沒有1 級“寒冷”，其余季節(jié)氣候舒適度高。

表 5 1981—2010 年米易各月溫濕指數(shù)及等級

表 6 1981—2010 年米易各月風(fēng)效指數(shù)及等級

米易縣逐月人體舒適度（CIHB）計算結(jié)果如表7 所示，CIHB 舒適度等級共有9 級，較溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)的分級更為豐富。米易縣4—6 月、8—10 月為舒適度最高的0 級“舒適”，11 月至次年3 月舒適度等級為-1 級的“涼爽舒適”，7 月為1 級“溫暖舒適”。全年的舒適度等級均較好，表現(xiàn)為冬季略涼，夏季7 月略熱。

米易縣逐月熱氣候指數(shù)（UTCI）計算結(jié)果如表8 所示，熱氣候指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定的舒適度分級較為嚴(yán)格，共有10 級。米易縣1—3 月、11—12 月舒適度等級為最高的0 級“舒適”，4 月、5 月、9 月、10 月舒適度等級為 1 級“暖”，6—8 月舒適度等級為2 級“熱”。

表 8 1981—2010 年米易各月熱氣候指數(shù)及等級

根據(jù)熱氣候指數(shù)計算的米易人體舒適度表現(xiàn)為冬季舒適，春秋季溫暖，夏季偏熱。計算結(jié)果與溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和人體舒適度指數(shù)的結(jié)果存在一定差異。通過分析米易30 年氣候特征，不難發(fā)現(xiàn)，米易縣冬季平均氣溫達(dá)13 ℃，冬季平均日最高氣溫22.3 ℃，且冬季陽光充沛，日照百分率達(dá)到66.6%，平均日照時數(shù)為7.2 h，這也正好與米易縣打造的冬季陽光康養(yǎng)旅游的方向吻合。

通過對比4 種不同氣象指數(shù)的判定，結(jié)果出現(xiàn)了差異性的結(jié)論，主要由于各指數(shù)所使用的氣象要素和判定方法不同。溫濕指數(shù)使用氣溫和濕度，風(fēng)效指數(shù)使用溫度、風(fēng)速和日照時數(shù)，人體舒適度指數(shù)使用溫度、濕度和風(fēng)速，熱氣候指數(shù)使用溫度、濕度、風(fēng)速和輻射溫度進行判定。熱氣候指數(shù)即考慮了大氣的熱量直接來源——總輻射強度，又加入了正常人體對于氣溫變化的熱生理狀態(tài)。因此更加接近實際的舒適度感覺。

3 結(jié)論與探討

基于4 種氣象指數(shù)對舒適度進行評價，其結(jié)果各有優(yōu)劣。

溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)的算法簡捷，容易理解，所需氣象要素易于觀測，是目前使用較為廣泛的舒適度評判指數(shù)，基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒?，適用性及準(zhǔn)確性存在一定局限。

人體舒適度指數(shù)（CIHB）對舒適度分級更細(xì)，由3 個人體感知最明顯的氣象要素建立，數(shù)據(jù)易于獲取，能夠較好地反映人體對氣象的感知程度。

熱氣候指數(shù)（IUTC）是由氣溫、濕度、風(fēng)速、輻射溫度4 個氣象要素組成的算法，對舒適度的分級最細(xì)，共10級，通過各指數(shù)對米易縣人體舒適度評價對比結(jié)果，熱氣候指數(shù)對高舒適度氣候的判定更加苛刻，但更為接近實際的人體感覺程度，是一種考慮較全面的通用氣候指數(shù)。

熱氣候指數(shù)的算法雖較復(fù)雜，但國際生物氣象學(xué)協(xié)會已經(jīng)公開其計算程序，另外，輻射溫度作為熱氣候指數(shù)中的關(guān)鍵性氣象要素，其觀測資料稀缺，為該指數(shù)的業(yè)務(wù)推廣造成阻礙，根據(jù)總輻射變化規(guī)律，通過修訂相鄰日射站點輻射量得到米易縣輻射強度，為計算熱氣候指數(shù)提供新的途徑，可進一步嘗試將熱氣候指數(shù)應(yīng)用于電力負(fù)荷預(yù)測、氣候旅游資源挖掘等專業(yè)氣象服務(wù)領(lǐng)域。