基于REOF方法的海南島人體舒適度特征分析

林穎儀，王式功,3，馬 盼，張京紅，張亞杰

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570203；3.遵義院士工作中心，氣候環(huán)境與醫(yī)療康養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 遵義 563000；4.海南省氣候中心，海南 海口 570203)

引 言

海南島(108°37′E—111°03′E、18°09′N—20°11′N)是中國南海邊陲的熱帶島嶼，位于北回歸線以南，東亞大陸東南端。該島屬于典型的海洋性熱帶季風(fēng)氣候，全年溫暖濕潤，擁有其他地區(qū)無法媲美的自然生態(tài)環(huán)境，包括熱帶雨林、地?zé)釡厝?、珍稀動植物等，四面環(huán)海的獨(dú)特地理位置，加之開發(fā)較晚，未經(jīng)歷現(xiàn)代工業(yè)污染，空氣清晰。研究發(fā)現(xiàn)，海南省冬半年的氣候和空氣質(zhì)量明顯優(yōu)于我國大多數(shù)省、自治區(qū)和直轄市，高血壓病患者在海南療養(yǎng)6個(gè)月后，血壓和血脂均有不同程度的改善，海南島氣候?qū)夏耆说募膊】祻?fù)可能有益[1]。近些年來，每年國慶節(jié)過后，大批北方老年人陸續(xù)來海南“貓冬”。這種效仿候鳥、趨利避害的差異化旅居養(yǎng)生、康養(yǎng)的生活方式，逐漸成為老年人追尋的一種時(shí)尚。國家旅游局下發(fā)的《國家康養(yǎng)旅游示范基地標(biāo)準(zhǔn)》中：康養(yǎng)旅游是指通過養(yǎng)顏健體、營養(yǎng)膳食、修身養(yǎng)性和關(guān)愛環(huán)境等各種手段，使人在身體、心智和精神上都能達(dá)到自然和諧的優(yōu)良狀態(tài)的各種旅游活動總和。伴隨著海南島旅游業(yè)方向的轉(zhuǎn)變，“康養(yǎng)旅游”得到了政府、社會和民眾的廣泛關(guān)注與大力支持[2]。因此，開展海南島氣候舒適度時(shí)空分布研究對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展及老年人康養(yǎng)現(xiàn)實(shí)意義重大。

早在20世紀(jì)50年代便開始了有關(guān)氣候舒適度的研究，相繼提出了溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)，構(gòu)建舒適指數(shù)測評模型，劃分旅游適宜區(qū)，為旅行者選擇目的地提供參考[3-6]。2011年，人居環(huán)境氣候舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T27963—2011)采用了溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)。目前國內(nèi)關(guān)于舒適度指數(shù)的研究主要利用氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速以及日照時(shí)數(shù)，采用溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)以及著衣指數(shù)進(jìn)行加權(quán)綜合，構(gòu)建舒適度綜合評價(jià)模型，主要應(yīng)用于旅游氣候資源評估及開發(fā)[7-12]。然而，我國地域遼闊，地形地貌復(fù)雜，不同地區(qū)人群對氣溫、濕度等氣象要素的適應(yīng)性不同，導(dǎo)致人體舒適度存在一定差異。以上的舒適度評價(jià)模型無法處理地理位置帶來的誤差，不能作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而黃金分割法除了考慮氣象因子引起的體感溫度外，還考慮了不同月份、緯度和海拔高度造成的人體感覺差異，克服了地理位置帶來的誤差。為此，本文利用海南島氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析海南島氣候特征，并基于黃金分割法的人體舒適度計(jì)算方法和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解法，分析海南島空間康養(yǎng)優(yōu)勢，為“候鳥人群”前往海南開展康養(yǎng)活動提供科學(xué)指導(dǎo)，同時(shí)為當(dāng)?shù)匾虻刂埔税l(fā)展康養(yǎng)旅游(居)產(chǎn)業(yè)、科學(xué)制定發(fā)展規(guī)劃提供一定參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

使用全國綜合氣象信息數(shù)據(jù)共享平臺提供的海南島1980—2018年19個(gè)氣象站降水量、平均氣溫、平均風(fēng)速、平均相對濕度等逐日氣象觀測資料。海南省行政邊界基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為瓊S(2020)035的標(biāo)準(zhǔn)地圖繪制，底圖無修改。

1.2 基于黃金分割法的人體舒適度計(jì)算方法

采用基于“黃金分割率”的體感溫度方法[13]計(jì)算人體舒適度，并根據(jù)日平均體感溫度將人體舒適度進(jìn)行等級劃分(表1)。其中，廣義舒適域包含微熱、舒適、涼爽、涼4個(gè)等級。該方法綜合了氣溫、濕度、風(fēng)速、降水等氣象要素，并訂正了緯度、月份、海拔高度等影響因子帶來的差異，可以客觀地反映海南島不同區(qū)域的人體舒適程度。

表1 人體舒適度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The classification standard of human body comfort levels

人體最佳舒適溫度計(jì)算公式如下：

Ts=22.7×[1.0-0.3sin (φ-23.5°)]-

|0.3cos [15°×(M-1)]|-2.0×

tan (H/100)°

(1)

人體體感溫度計(jì)算公式如下：

當(dāng)Ta≥Ts時(shí)，

Tg=Ta+A{exp[0.05(Ta-Ts)×

(RH-RHs)]-1}-0.01(Ts-Ta)V

(2)

當(dāng)Ta

Tg=Ta-A{exp[0.013(Ts-Ta)×

(RH-RHs)]-1}-0.01(Ts-Ta)V

(3)

式中：Ts(℃)為人體最佳舒適溫度；Tg(℃)為體感溫度；Ta(℃)為氣溫；φ為緯度；M為月份；H(m)為海拔高度；系數(shù)A=36.75×(1-0.618)≈14；RH(%)為相對濕度；RHs(%)為最適相對濕度(無降水時(shí)，RHs=0.5；有降水時(shí)，RHs=0.618)；V(m·s-1)為平均風(fēng)速。

1.3 氣候季節(jié)劃分

中國氣象行業(yè)氣候季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)(QX/T152—2012)(簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”)中，春季定義為日平均氣溫或滑動平均氣溫大于或等于10 ℃且小于22 ℃；夏季定義為日平均氣溫或滑動平均氣溫大于或等于22 ℃；秋季定義為日平均氣溫或滑動平均氣溫小于22 ℃且大于或等于10 ℃；冬季定義為日平均氣溫或滑動平均氣溫小于10 ℃[14]。這種以氣候滑動平均氣溫(連續(xù)5 d氣溫的滑動平均)動態(tài)劃分的標(biāo)準(zhǔn)更能客觀科學(xué)、準(zhǔn)確合理地劃分出四季，且與人體舒適度的關(guān)系更為密切，更符合區(qū)域?qū)嶋H狀況。因此，本文將依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)來確定海南島氣候康養(yǎng)的最佳時(shí)期與區(qū)域。

氣候季節(jié)早晚等級是依據(jù)當(dāng)年與常年氣候季節(jié)起止日期的差值Dd來劃分，分為特早、偏早、正常、偏晚和特晚5個(gè)等級，通常用相差的天數(shù)來表示，見表2。

表2 氣候季節(jié)早晚等級及劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The sooner or later levels of climatic season and their classification standards

氣候季節(jié)長短等級是依據(jù)當(dāng)年與常年氣候季節(jié)長度的差值Dl來劃分，分為特短、偏短、正常、偏長和特長5個(gè)等級，見表3。

表3 氣候季節(jié)長短等級及劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 The length levels of climatic season and their classification standards

1.4 旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解方法

REOF是在經(jīng)驗(yàn)正交分解(EOF)的基礎(chǔ)上，選擇一個(gè)正交旋轉(zhuǎn)矩陣，使原始矩陣旋轉(zhuǎn)后的列向量元素平方的方差達(dá)最大，從而使原要素場的信息特征集中映射到載荷場所表示的優(yōu)勢空間上。REOF能夠克服EOF展開時(shí)存在一定取樣誤差的局限性，旋轉(zhuǎn)后的時(shí)空場空間分布結(jié)構(gòu)更加清晰，不僅可以較好地反映不同地域的變化，還可以反映不同地域的相關(guān)分布狀況，使原來的特征向量結(jié)構(gòu)簡化、特征更明顯[15-16]。因此，本文采用REOF對海南島人體舒適度進(jìn)行空間分析，從而獲得最佳舒適區(qū)域。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南島氣候特征

海南島常年氣侯溫暖，無嚴(yán)寒與酷暑，年平均氣溫為22.9～25.3 ℃，以中部瓊中最低，南部三亞最高，氣溫從中部山區(qū)向四周沿海遞增，23 ℃等溫線在中部山區(qū)閉合[圖1(a)]；年平均雨量為1157～2615 mm，等雨量線呈環(huán)狀分布，自中東部向北、南、西三面逐漸遞減，多雨帶位于瓊中東部至萬寧一帶，少雨區(qū)位于西部沿海東方市[圖1(b)]。海南島東部地區(qū)位于海洋氣流的迎風(fēng)坡，降水多；西部地區(qū)位于背風(fēng)坡，降水少。同時(shí)，海南島降水季節(jié)分配很不均勻，有明顯的多雨季和少雨季。其中，每年5—10月是多雨季，累計(jì)雨量約1500 mm，占年降雨量的70%～90%，主要為鋒面雨、熱雷雨和臺風(fēng)雨，且降水主要發(fā)生在夏季，多是午后的局地陣性降水，歷時(shí)短，雨量小，不影響觀光，還會適當(dāng)?shù)亟禍兀固鞖庾兊脹鏊琜17]；11月至翌年4月為少雨季，干旱時(shí)常發(fā)生。

海南島氣候濕潤，年平均相對濕度在74%～86%之間，大體由西部向東部逐步遞增[圖1(c)]，且各月平均相對濕度變化不大，相對濕度大值中心(瓊中)與降水中心一致。相對濕度易受氣壓變化影響，而氣壓變化對比濕影響不大，因此在描述大氣的水汽分布時(shí)比濕尤為重要。海南島年平均比濕在14.8～16.4 g·kg-1之間，四周沿海地區(qū)的比濕較中部山區(qū)大，且東部沿海的比濕大于西部沿海[圖1(d)]，這與海南島冬季主吹東北風(fēng)、東風(fēng)、北風(fēng)和夏季主吹東南風(fēng)、南風(fēng)、西南風(fēng)有關(guān)。冬季，海南島受東亞季風(fēng)影響較大，季風(fēng)帶來充沛的水汽。另外，中國上空大氣90%以上的水汽集中在對流層中下層，比濕隨高度升高迅速降低，因此中部山區(qū)比濕較四周平原低。

圖1 海南島氣候要素空間分布(a)年平均氣溫(單位：℃)，(b)年平均降水量(單位：mm)，(c)年平均相對濕度(單位：%)，(d)年平均比濕(單位：g·kg-1)Fig.1 The spatial distribution of climatic elements in Hainan Island (a) annual average temperature (Unit: ℃), (b) average annual precipitation (Unit: mm),(c) annual average relative humidity (Unit: %), (d) annual average specific humidity (Unit: g·kg-1)

綜上可見，受季風(fēng)影響，夏季海南島沿海地區(qū)相對濕度和比濕都較大，且氣溫較高，人們可以選擇去中部山區(qū)避暑納涼；冬季，沿海地區(qū)氣候溫暖，空氣中水汽含量適中，十分適宜“候鳥人群”進(jìn)行康養(yǎng)活動。

2.2 海南島季節(jié)劃分

將海南島19個(gè)氣象觀測站的日平均氣溫先進(jìn)行區(qū)域平均，然后做5 d滑動平均，根據(jù)中國氣象行業(yè)氣候季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)(QX/T152—2012)，得到海南島多年和不同年代下平均氣候季節(jié)日期及天數(shù)，見表4和表5。

海南島常年滑動平均氣溫序列無連續(xù)5 d小于10 ℃的情況，因此海南島為無冬區(qū)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，無冬區(qū)春季的起始日期為1月1日，故海南島入春日為1月1日，結(jié)束日多年平均為3月11日，春季持續(xù)70 d；夏季起始、結(jié)束日期分別為3月12日和11月17日，持續(xù)時(shí)間最長達(dá)251 d；秋季開始日期為11月18日，持續(xù)時(shí)間最短，僅為44 d(表4)。

海南島3月中旬入夏，從20世紀(jì)70年代開始入夏時(shí)間有所提前，且21世紀(jì)10年代以前呈階段性持續(xù)提前，夏季逐年代持續(xù)延長；入秋時(shí)間是11月中下旬，21世紀(jì)10年代入秋時(shí)間明顯偏晚(表5)?？梢姡Ｄ蠉u夏季時(shí)間延長，春秋兩季時(shí)間縮短。另外發(fā)現(xiàn)，海南島夏季從3月中旬至11月中旬，春秋兩季為11月中下旬至次年3月中旬，恰好與常規(guī)冬半年時(shí)間相符，適合“候鳥人群”前往避寒過冬，具有天文意義上的冬季。

表5 海南島不同年代下平均氣候季節(jié)劃分Tab.5 The division of average climatic season in different decades in Hainan Island

2.3 海南島春秋兩季人體舒適度區(qū)域特征

2.3.1 旋轉(zhuǎn)載荷向量場及空間分布

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，海南島春季和秋季廣義舒適域天數(shù)占比均在96%以上(表6)，夏季廣義舒適域天數(shù)占比僅28.10%，表明海南島夏季大部時(shí)間處于非廣義舒適域，而春季和秋季是最佳的氣候康養(yǎng)時(shí)段。因此，下文僅針對海南島春秋兩季廣義舒適域天數(shù)進(jìn)行人體舒適度區(qū)域特征分析。

季節(jié)起始日期終止日期天數(shù)/d春季1月1日3月11日70夏季3月12日11月17日251秋季11月18日12月31日44

表6 海南島各季節(jié)廣義舒適域天數(shù)及占比Tab.6 The generalized comfortable days and its proportion to total days in each season in Hainan Island

由EOF分析結(jié)果可知，海南島春秋兩季廣義舒適域日數(shù)的前4個(gè)載荷向量的累積方差貢獻(xiàn)占總方差的96.79%，其中第1載荷向量的方差貢獻(xiàn)率高達(dá)85.93%，遠(yuǎn)大于其他載荷向量(表7)，且向量場均為正值，載荷大值區(qū)位于東北部，低值區(qū)在南部[圖2(a)]，第1載荷向量反映了海南島春秋季廣義舒適域日數(shù)具有全區(qū)一致性特征，即某年海南島春秋季廣義舒適日數(shù)普遍增加或減少；第2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率僅占6.15%，且南北呈反向分布，表明海南島春秋兩季廣義舒適日數(shù)呈現(xiàn)南高(低)北低(高)的分布特點(diǎn)，以昌江—五指山—瓊海一線為界，南部為正值，北部為負(fù)值[圖2(b)]，這一模態(tài)反映了海南島因緯度、海拔差異，南北部廣義舒適域日數(shù)呈現(xiàn)反向分布的異常態(tài)勢；第3、4模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率均低于3%，且均呈現(xiàn)出中部與四周反向分布的特點(diǎn)，大值中心分別位于五指山[圖2(c)]、保亭[圖2(d)]。

表7 海南島春秋季廣義舒適域日數(shù)前4個(gè)EOF和REOF分量的方差貢獻(xiàn)率Tab.7 The contribution rates of the first 4 EOF and REOF components to total variance of generalized comfortable days in spring and autumn in Hainan Island

由REOF分析結(jié)果可知，海南島春秋兩季廣義舒適域日數(shù)的前4個(gè)旋轉(zhuǎn)載荷向量的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)96.79%，載荷向量場均一致為正值，旋轉(zhuǎn)后的空間場分布結(jié)構(gòu)較EOF更清晰。其中，第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率占44.93%，為主要分布模態(tài)，載荷值整體呈現(xiàn)南低北高的分布格局，大值區(qū)在海南島北部，中心(瓊山)最大值為0.86[圖2(e)]，是近39 a海南島廣義舒適日數(shù)變化敏感的中心地區(qū)；第2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為8.74%，載荷大值區(qū)在海南島東南部，中心(三亞)最大值為0.98[圖2(f)]；第3模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為22.13%，載荷值呈中部高、四周低的空間分布，大值中心(五指山)為0.84[圖2(g)]；第4模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為20.99%，載荷值呈東西兩側(cè)高、中間低的分布格局，大值中心(陵水)為0.67[圖2(h)]。

圖2 海南島春秋兩季廣義舒適域日數(shù)的EOF(a、b、c、d)和REOF(e、f、g、h)載荷向量場空間分布(a、e) 第1載荷向量場，(b、f)第2載荷向量場，(c、g)第3載荷向量場,(d、h)第4載荷向量場Fig.2 The spatial distribution of EOF (a, b, c, d) and REOF (e, f, g, h) load vector fields of generalized comfortable days in spring and autumn in Hainan Island(a, e) the first load vector field, (b, f) the second load vector field,(c, g) the third load vector field, (d, h) the fourth load vector field

2.3.2 人體舒適度區(qū)劃及特征

按North判別準(zhǔn)則，將同一旋轉(zhuǎn)載荷向量場中載荷絕對值大于或等于0.6且連成一片的區(qū)域劃為同一區(qū)域，對于重疊的區(qū)域再按照行政區(qū)邊界重新劃分[18-19]。在第2模態(tài)中，旋轉(zhuǎn)載荷向量場的載荷絕對值大于或等于0.6的站點(diǎn)只有三亞，不符合分區(qū)原則。最終，將海南島廣義人體舒適度劃分為3個(gè)區(qū)域，分別命名為瓊北Ⅰ區(qū)、瓊中Ⅱ區(qū)和瓊南Ⅲ區(qū)，對應(yīng)包括13、2、3個(gè)站點(diǎn)(圖3)。

圖3 海南島廣義人體舒適域分區(qū)Fig.3 The regionalization of generalized comfortable domain in Hainan Island

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，海南島年平均廣義舒適日數(shù)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)分別為164、223、155 d，3個(gè)舒適區(qū)多年平均春季、秋季廣義舒適日數(shù)無明顯差異，分別為66、42 d左右[圖4(a)]?？梢?，春、秋季海南島上述3個(gè)區(qū)域的廣義舒適日數(shù)相差不大，均適宜康養(yǎng)旅游，但整體上Ⅱ區(qū)最為舒適，其次是Ⅰ區(qū)。從海南島3個(gè)廣義舒適區(qū)春、秋季廣義舒適日數(shù)的年際變化[圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)]看出，近39 a來3個(gè)舒適區(qū)春、秋季的廣義舒適日數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，這與全球氣候變化以及城市化氣溫升高導(dǎo)致的區(qū)域舒適日數(shù)減少有一定關(guān)系[20]，但是僅Ⅱ區(qū)春季和Ⅲ區(qū)秋季廣義舒適日數(shù)的變化趨勢通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，說明海南島春秋兩季的氣候環(huán)境穩(wěn)定，氣候變化引起的廣義舒適域日數(shù)變化幅度較小，側(cè)面反映了海南島冬半年常處于舒適環(huán)境中，這對疾病的恢復(fù)及康養(yǎng)十分有益。

圖4 1980—2018年海南島3個(gè)舒適區(qū)平均廣義舒適日數(shù)(a)及春、秋季舒適Ⅰ區(qū)(b)、Ⅱ區(qū)(c)、Ⅲ區(qū)(d)廣義舒適日數(shù)年際變化Fig.4 The average generalized comfortable days in three comfortable regions (a) and inter-annual changes of generalized comfortable days in spring and fall in Ⅰ (a), Ⅱ (b) and Ⅲ (c) comfortable zones of Hainan Island from 1980 to 2018

3 結(jié) 論

(1)海南島年平均氣溫為22.9～25.3 ℃，以中部的瓊中最低，南部的三亞最高；年平均雨量為1157～2615 mm，等雨量線呈環(huán)狀分布，中東部多、西部少；氣候濕潤，年平均相對濕度在74%～86%之間，且由西部向東部逐漸遞增；年平均比濕在14.8～16.4 g·kg-1之間，四周沿海比濕大于中部山區(qū)，東部沿海比濕較西部沿海大。

(2)依據(jù)中國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)劃分的季節(jié)與海南島氣候特征十分吻合。海南島夏季為3月中旬至11月中旬，春秋兩季為11月中下旬至次年3月中旬，與常規(guī)冬半年時(shí)間相符。在氣候意義上，海南島屬于無冬區(qū)，常年溫暖濕潤，是一個(gè)康養(yǎng)勝地，最佳康養(yǎng)時(shí)段為冬半年，即11月至次年3月。

(3)海南島廣義人體舒適域劃分為瓊北、瓊南、瓊中3個(gè)區(qū)域，3個(gè)區(qū)域近39 a間春、秋季廣義舒適日數(shù)均呈下降趨勢，整體上以Ⅱ區(qū)的五指山和瓊中為最佳舒適區(qū)域。我國北方地區(qū)越來越多的患有慢性疾病的老年人群，可選擇海南島春秋兩季前往五指山、瓊中、白沙等地進(jìn)行氣候康養(yǎng)旅游，以獲得最佳養(yǎng)生效果。