1955—2019年天門市氣候特征和人體舒適度變化分析

劉望平，鞠英芹，馬德栗，3，黃 忠

（1.天門市氣象局，湖北 天門 431700；2.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖北分院，武漢 430074；3.武漢區(qū)域氣候中心，武漢 430074）

生態(tài)環(huán)境與氣候條件的優(yōu)劣，直接影響著人們的生活品質(zhì)和身心健康［1-3］。以生態(tài)氣候資源為主題的休閑養(yǎng)生活動逐漸成為旅游業(yè)發(fā)展的新熱點(diǎn)，國內(nèi)不少城鎮(zhèn)已打出宜居、宜游、宜養(yǎng)的生態(tài)氣候品牌［4，5］。國內(nèi)外學(xué)者開展氣候條件與生態(tài)環(huán)境、人類活動、城鄉(xiāng)規(guī)劃等方面的研究［6，7］，研究認(rèn)為［8-10］氣溫是影響人們出游的一個最重要的氣候因素，最適用于人類活動的氣候月氣溫在15～18 ℃，該溫度下人感覺心情舒暢、精力充沛，又被稱為“康樂氣候”；范業(yè)正等［11］采用生理氣候模型分析評估了中國渤海灣沿岸海濱城市和海南南部城市中國海濱旅游地氣候適宜性；馬麗君等［12］利用溫室指數(shù)、綜合舒適指數(shù)分析北京旅游氣候舒適度變化；任健美等［13］分析五臺山氣候狀況和氣象景觀，采用舒適度指數(shù)、寒冷指數(shù)和平均著衣指數(shù)，對各月旅游氣候適應(yīng)性進(jìn)行分析評價；因此，生態(tài)氣候資源與生態(tài)環(huán)境和氣候條件密切關(guān)聯(lián)。

天門市屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，具有光照充足、氣候濕潤、生長期長、嚴(yán)寒短的氣候特點(diǎn)。近年來，天門市圍繞服務(wù)武漢市都市圈的功能定位，大力發(fā)展康養(yǎng)休閑旅游產(chǎn)品；本研究在分析天門市氣象要素和要素舒適期變化特征的基礎(chǔ)上，分析人居舒適度指數(shù)，以期服務(wù)天門市旅游業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究資料來自天門市氣象局1955—2019年逐日最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫、降水量、相對濕度、日照、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，所有資料均經(jīng)過質(zhì)量控制。

1.2 方法

1.2.1 溫濕指數(shù) 溫濕指數(shù)（I）是使用氣溫、濕度相結(jié)合用于估計(jì)炎熱程度的一個綜合指標(biāo)［14］。

式中，T為平均氣溫（℃）；RH為空氣相對濕度（%）。I的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

1.2.2 風(fēng)效指數(shù) 風(fēng)效指數(shù)（K）是表征人類裸露皮膚在氣溫和風(fēng)速不同組合作用下體感冷暖程度。

式中，T為平均氣溫（℃）；V為平均風(fēng)速（m/s）；S為平均日照時數(shù)（h）。K的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)等級劃分

1.2.3 舒適度指數(shù)（BCMI） 舒適度指數(shù)是根據(jù)人類機(jī)體與大氣環(huán)境之間的熱交換而制定的生物氣象指標(biāo)，從氣象角度評價在不同氣候條件下人的舒適感。BCMI的分級標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候特征

2.1.1 氣溫 由圖1 可知，1955—2019年天門市年平均氣溫呈上升趨勢，每10年上升0.29 ℃；常年（1981—2010年）氣溫平均值為17.4 ℃，最高值為18.9 ℃（2007年）；最低值為16.0 ℃（1956年）；最高氣溫常年均值為21.4 ℃，最高值為22.9 ℃（2007年）；最低值為19.8 ℃（1989年），上升趨勢為0.21 ℃/10年；天門市年平均最低氣溫每10年上升0.30 ℃，常年均值為13.5 ℃，最高值為14.8 ℃（2007年）；最低值為11.8 ℃（1956年）。

圖1 1955—2019年天門市平均氣溫距平

綜合分析發(fā)現(xiàn)，天門市最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫均呈升溫趨勢，升溫幅度表現(xiàn)為最低氣溫>平均氣溫>最高氣溫［15］。最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫年代際變化特征趨勢一致，前高后低，20 世紀(jì)50—90年代氣溫偏低，20 世紀(jì)90年代至今氣溫偏高，但2010年后氣溫變化趨緩。

2.1.2 降水量 1955—2019年天門市年降水量無明顯變化（圖2），常年平均值為1 130.6 mm，20世紀(jì)80、90年代降水量偏多，2010年以來降水量基本以偏少為主［16］；降水量最大值出現(xiàn)在1983年，達(dá)1 751.2mm；最小值出現(xiàn)在1984年，為737.8 mm。

圖2 1955—2019年天門市年降水量距平

2.1.3日照時數(shù) 近65年天門市日照時數(shù)呈顯著下降趨勢（圖3），趨勢率達(dá)90.7 h/10年，且通過α=0.05 的顯著性檢驗(yàn)。年代際變化表現(xiàn)出2000年之前以日照偏多為主，之后以偏少為主的特征；1981—2010年常年日照時數(shù)平均值為1 648.8 h，最高值為2 371.1 h（1956年），最低值為1 564.5 h（2002年）。

圖3 1955—2019年天門市日照時數(shù)距平變化

2.1.4 相對濕度 近65年天門市相對濕度呈明顯下降趨勢，每10年減少1.1%，且通過α=0.05 的顯著性檢驗(yàn)（圖4）。相對濕度常年平均值為75.7%，最高值為81.2%，出現(xiàn)在1989年；最小值為68.4%，出現(xiàn)在2004年；年代際變化分析表明，2000年之前以偏高為主，之后以偏低為主。

圖4 1955—2019年天門市相對濕度距平變化

2.1.5 風(fēng)速 1980—2019年天門市最大風(fēng)速呈下降趨勢，每10年下降0.27 m/s，且通過了α=0.05 的顯著性檢驗(yàn)（圖5），這與全國風(fēng)速變化趨勢相一致［17］。1981—2010年30年常年最大風(fēng)速均值為4.17 m/s，呈現(xiàn)明顯的年代際特征，20 世紀(jì)80年代之前最大風(fēng)速偏大，20 世紀(jì)90年代和21 世紀(jì)前10年最大風(fēng)速偏小，而2012年以后最大風(fēng)速有所增大。

圖5 1980—2019年天門市最大風(fēng)速變化

2.2 氣候風(fēng)險

2.2.1 適宜溫度和適宜降水等級 適宜溫度和適宜降水是表征人體舒適性的重要指標(biāo)，定義日平均氣溫在15～25 ℃為適宜溫度，統(tǒng)計(jì)1955—2019年逐年適宜溫度日數(shù)；年適宜溫度日數(shù)達(dá)150 d 以上為優(yōu)，120～150 d 為良；定義年降水量在800～1 200 mm 為優(yōu)，400～800 mm 和1 200～1 600 mm 為良。

近65年天門市逐年適宜日數(shù)變化特征如圖6 所示，年適宜溫度日數(shù)呈增長趨勢，每10年增加1.1 d。1981—2010年30年平均適宜日數(shù)達(dá)121 d，達(dá)到了良好等級；統(tǒng)計(jì)逐年適宜溫度日數(shù)等級發(fā)現(xiàn)，25年達(dá)到了良好等級。近65年天門市年降水量達(dá)到優(yōu)良等級有62年，占比為95%。分析降水量季節(jié)均勻度（冬季降水量與夏季降水量之比）發(fā)現(xiàn)，天門市常年平均值達(dá)0.31，處于降水優(yōu)良等級；統(tǒng)計(jì)65年降水季節(jié)均勻度發(fā)現(xiàn)，有53年達(dá)到優(yōu)良等級，占比為82%。

圖6 1955—2019年適宜日數(shù)變化

2.2.2 適宜濕度和適宜日照等級 定義年平均相對濕度在50%以上為優(yōu)良，一年內(nèi)出現(xiàn)相對濕度大于50%的日數(shù)達(dá)180 d 以上為適宜濕度日數(shù)優(yōu)良；夏季日照時數(shù)大于400 h 和冬季日照時數(shù)大于250 h為優(yōu)良。

統(tǒng)計(jì)分析天門市1955—2019年適宜濕度和適宜日照等級，近65年天門市適宜相對濕度日數(shù)均值為200 d，處于優(yōu)良等級，其中有50年適宜相對濕度等級達(dá)到優(yōu)良的占比為80%；夏季日照時數(shù)均值為510 h，超過優(yōu)良水平（400 h），且出現(xiàn)82%的年份夏季日照時數(shù)達(dá)優(yōu)良水平；冬季日照時數(shù)均值達(dá)265 h，其中有50年冬季日照時數(shù)超過優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，占比達(dá)77%。

圖7 1955—2019年天門市夏季日照時數(shù)等級

2.3 人體舒適度

氣候舒適性是人體對氣候的直觀感受，是居住、旅游、度假等的重要影響因素之一，利用天門市多年氣溫、降水、風(fēng)速、相對濕度計(jì)算溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和舒適度指數(shù)，并分析其變化規(guī)律。

2.3.1 溫濕指數(shù) 由1955—2019年天門市全天和白天溫濕指數(shù)變化特征（圖8）可以看出，近65年天門市白天、全天溫濕指數(shù)呈上升趨勢，每10年分別上升0.105 和0.220，且均通過了α=0.05 的顯著性檢驗(yàn)。白天的溫濕指數(shù)上升趨勢高于全天溫濕指數(shù)，表明溫濕指數(shù)的上升主要由白天氣溫、降水、日照和相對濕度的良好配置所貢獻(xiàn)。兩者年代際呈高-低-高的變化特征，即20 世紀(jì)50—80年代偏高，20世紀(jì)80—90年代前期偏低，20 世紀(jì)90年代后期至今溫濕指數(shù)偏高。

圖8 1955—2019年天門市溫濕指數(shù)變化

根據(jù)人居環(huán)境舒適度等級劃分分析可知，天門市近65年白天和全天的溫濕指數(shù)平均值分別為19.48 和16.80；結(jié)合表1 溫濕指數(shù)分類等級分析可知，白天溫濕指數(shù)處于舒適等級，全天溫濕指數(shù)則略偏低，處于偏冷等級，這也從側(cè)面表明天門市早晚氣候略偏涼。從逐年溫濕等級分布分析，近65年天門市白天溫濕指數(shù)均處于舒適等級，全天的溫濕指數(shù)自20 世紀(jì)90年代后期至今全部處于舒適等級。

2.3.2 風(fēng)效指數(shù) 1955—2019年天門市風(fēng)效指數(shù)變化特征（圖9）分析表明，近65年風(fēng)效指數(shù)呈顯著上升趨勢，每10年風(fēng)效指數(shù)升高11.1，且呈明顯的年代際特征，20 世紀(jì)50—90年代風(fēng)效指數(shù)偏低，20世紀(jì)90年代至今則偏高。由表1 風(fēng)效指數(shù)等級分析可知，近65年天門市風(fēng)效指數(shù)均值為-313.79，處于偏冷的等級；20 世紀(jì)50—90年代天門市風(fēng)效指數(shù)處于偏冷等級，而20 世紀(jì)90年代至今則處于舒適等級，這主要是由氣溫上升，而風(fēng)速變化不大所引起。

圖9 1955—2019年天門市風(fēng)效指數(shù)

2.3.3 舒適度指數(shù) 天門市近65年人體舒適度指數(shù)呈上升趨勢，每10年上升0.54，且通過α=0.05 的顯著性檢驗(yàn)（圖10）。天門市舒適度指數(shù)常年均值為58.77，最大值為60.49（2007年），最小值為56.15（1969年）；根據(jù)表2 人體舒適度指數(shù)分級分析可知，20 世紀(jì)50—90年代舒適度指數(shù)等級處于偏涼等級，20 世紀(jì)90年代至今舒適度處于最為舒適等級。從舒適度的月分布進(jìn)行分析，5—9月為天門市最為舒適的月份，4、10、11月夜晚則感覺略微偏涼，大部分時間人體感覺很舒適。

圖10 1955—2019年天門市舒適度指數(shù)變化

對天門市溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和舒適度指數(shù)進(jìn)行綜合分析，天門市近65年3 個指數(shù)均呈上升趨勢，且20 世紀(jì)90年代后均處于舒適等級，表明天門市氣候逐漸向好，呈宜居、宜游、宜業(yè)等特點(diǎn)。

3 小結(jié)

1）近65年天門市最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫均呈升溫趨勢，最低氣溫升溫幅度最高，且最高、最低和平均氣溫年代際變化特征趨于一致；年降水量無明顯變化，但2010年以來降水量基本以偏少為主；相對濕度和最大風(fēng)速隨年代際變化而下降，相對濕度下降很明顯。

2）統(tǒng)計(jì)逐年適宜溫度日數(shù)、降水適宜等級、降水季節(jié)均勻度、相對濕度適宜和日照的適宜等級發(fā)現(xiàn)，降水量達(dá)到優(yōu)良等級的占比為95%，相對濕度優(yōu)良等級的占比為80%；夏季日照時數(shù)82%的年份達(dá)到優(yōu)良水平，冬季日照時數(shù)有50年超過優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

3）綜合分析天門市近65年溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和舒適度指數(shù)，表征宜居、宜游、宜業(yè)的3 個指數(shù)均呈上升趨勢。20 世紀(jì)90年代以來溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和舒適度指數(shù)均處于舒適等級，反映了天門市氣候適宜、生態(tài)良好、人居舒適的特征。