荊州夏季人體舒適度模型改進與應(yīng)用評估

賀程程 鄧艷君 陳正洪

（1 荊州市氣象局，荊州 434020；2 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430074）

0 引言

氣候舒適度能對人體健康產(chǎn)生明顯影響[1]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，小長假和公休假的實行，學(xué)生及家長避暑旅游越來越多，夏季人體舒適度的預(yù)報越來越受社會重視。國內(nèi)外學(xué)者對人體舒適度進行了不同的研究，很多城市已開展人體舒適度的分析、預(yù)報和服務(wù)[2-9]，魏學(xué)等[10]、黃鶴樓等[11]研究指出人體舒適度與平均氣溫呈極顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈極顯著負相關(guān)，氣溫是人體舒適度變化的主導(dǎo)因子。唐進時等[12]分析中國南方城市夏季舒適度，發(fā)現(xiàn)高溫不舒適天數(shù)近33 a來以3.4 d/10 a的速度增加，并有5 a震蕩周期。孟麗霞等[13]、譚波等[14]、許善洋等[15]分析逐月的人體舒適度分別指出：蘭州市全年旅游氣候舒適月份為5—9月；貴州省的6月是夏季旅游的最佳月份；甘肅省氣候舒適度4—10月比較優(yōu)越，6—8月最佳，1月、12月較差。張瑩等[16]研究中國大陸九大名山風(fēng)景區(qū)指出氣候舒適度年變化北方名山呈倒“V”形，中部名山呈倒“U”形，南方名山呈“M”形。金琪等[17]研究1960—2016年武漢城市圈人體舒適度變化特征后發(fā)現(xiàn)武漢城市圈悶熱日數(shù)緩慢增多，寒冷日數(shù)逐年減少，人體舒適日數(shù)呈逐年增多的趨勢。鄭有飛等[18]為進一步提高夏季舒適度預(yù)報質(zhì)量，對比驗證了國內(nèi)外多種指標，指出國內(nèi)指標基本能夠表征人體熱感覺，但仍需進一步完善。目前，湖北關(guān)于人體舒適度的研究不多，而荊州人體舒適度的研究幾乎是空白。

本文利用荊州6個國家氣象觀測站1989—2018年30 a夏季逐日氣象資料，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判、時間序列和對比分析的方法，在相關(guān)經(jīng)典模型的基礎(chǔ)上，建立適合荊州的夏季人體舒適度預(yù)報模型和等級劃分標準，并用湖北近30 a氣象資料分區(qū)域?qū)θ梭w舒適度進行適用性分析，以期將研究成果業(yè)務(wù)化，使氣象服務(wù)滿足公眾日益增長的需求，更好地為地方經(jīng)濟發(fā)展，特別是旅游業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展及申報天然氧吧、避暑旅游目的地提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

建模氣象資料來源于荊州6個國家氣象觀測站A文件中的1989—2018年30 a夏季（6—8月）經(jīng)過質(zhì)量控制的逐日氣溫、相對濕度和風(fēng)速資料。應(yīng)用分析氣象資料來源于湖北氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)經(jīng)過質(zhì)量控制的武漢、咸寧（代表鄂東南）、黃岡和孝感（二者平均代表鄂東北）、荊州（代表江漢平原）、宜昌和恩施（二者平均代表鄂西南）、襄陽和十堰（二者平均代表鄂西北）的1990—2019年近30 a逐日氣溫、相對濕度和風(fēng)速資料。氣象資料統(tǒng)計值日界均為北京時20：00時。

1.2 研究方法

基于陸鼎煌提出的模糊數(shù)學(xué)綜合評判法[19]（以下簡稱D模型）、王雁等[1]研究的人體舒適度模型（以下簡稱P模型）的應(yīng)用分析，建立改進的荊州夏季人體舒適度模型（以下簡稱J模型），通過對三種模型對比的分析，評價荊州市和湖北省各區(qū)域及武漢一年各月人體舒適度概況。

2 人體舒適度模型應(yīng)用分析

2.1 D模型應(yīng)用分析

采用陸鼎煌提出的模糊數(shù)學(xué)綜合評判法。選定因素的論域為：U＝（氣溫t、相對濕度f、風(fēng)速v），評價的論域為：A＝（很舒適B1，舒適B2，較舒適B3，不舒適B4）。對三要素分別建立隸屬函數(shù)方程（Uτ）[20]為：

其中，b=0.0476，c=0.0038，d=0.5634。同時，規(guī)定：

首先，將荊州站的1989—2018年30 a夏季的逐日平均氣溫資料代入隸屬函數(shù)方程計算，得到再對照上述舒適度等級標準，得出荊州夏季日平均氣溫屬于很舒適、舒適、較舒適、不舒適的次數(shù)，它們在夏季氣溫記錄次數(shù)（2760次）中所占的比例分別為t1、t2、t3、t4，這是R中第一行元素，同樣，分別對相對濕度和風(fēng)速計算R中的第二、第三行元素，得到荊州站的判矩為

根據(jù)氣溫、相對濕度和風(fēng)速三者對人體舒適度影響的權(quán)重分配：V＝(0.60，0.20，0.20)[20]，進行綜合評判D＝V·R，求出荊州站夏季人體舒適度各等級占比。依次類推，得出荊州其他各市（縣）：松滋、公安、石首、監(jiān)利和洪湖夏季的人體舒適度各等級占比，從而得到荊州6市（縣）夏季D模型舒適度等級百分比（表1）。

表1 1989—2018年荊州6市縣夏季D模型舒適度等級占比 Tabel 1 Percentage of D model comfort level in summer in six counties of Jingzhou from 1989 to 2018

從表1中可以看出，松滋的人體舒適度相對較好，洪湖較差。但各市（縣）人體舒適度同一等級百分比相差甚??；較舒適級別及以上各等級之間相差也很小，而不舒適級別占比最大，表明荊州6市（縣）夏季均不舒適。

綜上，該模型對荊州各市縣舒適度的差異反映不夠靈敏，申報天然氧吧和避暑旅游目的地時不便使用。

2.2 P模型應(yīng)用分析

江蘇省和江西省氣象局[21]及王雁等[1]研究分析采用的人體舒適度模型（P模型）具有較高的預(yù)報準確率[22]。其具體公式為

式中：t為氣溫（℃），f為相對濕度（%），v為風(fēng)速（m/s）。將荊州各市（縣）的1989—2018年30 a的夏季逐日氣象要素值代入該模式，計算荊州各市縣的人體舒適度指數(shù)，統(tǒng)計得到夏季平均的人體舒適度指數(shù)P（表2）。

表2 1989—2018年荊州6市（縣）夏季P模型舒適度指數(shù) Tabel 2 Comfort index of P model in summer in six counties of Jingzhou from 1989 to 2018

從表2中可以看出，按江蘇和江西及王雁等的等級劃分標準（表3）荊州各地均屬于偏熱或微熱，P模型分辨不出各地人體舒適度的差異，也不便使用。

表3 P模型的人體舒適度等級劃分標準 Tabel 3 Classification standard of human comfort level of P model

3 J模型的建立與應(yīng)用分析

3.1 人體舒適度模型改進（J模型）

上述兩個模型是國內(nèi)外學(xué)者通過對人體舒適度的多年分析研究得出的經(jīng)典模型，但反映荊州各市縣的人體舒適度不夠靈敏。為了準確評判荊州6市（縣）人體舒適度的差異，適應(yīng)當前申報天然氧吧、避暑目的地的需要，有必要進行改進，建立靈敏的人體舒適度模型。

中國天然氧吧基本條件主要有：一是氣候條件優(yōu)越，一年中人居環(huán)境氣候舒適度達“舒適”的月份不少于3個月；二是負氧離子含量較高，年平均濃度不低于1000個/cm3。三是空氣質(zhì)量好，一年中空氣質(zhì)量優(yōu)良率不低于70%等。

避暑旅游目的地基本條件主要有：一是氣候適宜，體感舒適，盛夏氣候資源優(yōu)良。二是生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，空氣質(zhì)量優(yōu)良，擁有山地、草原、森林、湖泊濕地等優(yōu)質(zhì)的生態(tài)避暑資源等。

氣溫、相對濕度和風(fēng)速三個因子對人體的生理和人的心理影響是同時進行的，根據(jù)環(huán)境衛(wèi)生學(xué)，氣溫24 ℃、相對濕度70%和風(fēng)速2 m/s，是夏季人體最舒適的氣候條件[23]。根據(jù)專家學(xué)者的研究結(jié)果和經(jīng)驗總結(jié)[24-25]，認為氣溫、相對濕度和風(fēng)速三要素對人體舒適度影響的權(quán)重分配為0.60、0.20、0.20比較合理，由此建立改進的荊州夏季人體舒適度指數(shù)模型（以下簡稱J模型）：

式中：J為綜合舒適度指數(shù)；t為氣溫（℃）；f為空氣相對濕度（%）；v為風(fēng)速（m/s）；減1和乘7是為了拉開數(shù)據(jù)便于分檔。這個模型能直觀反映舒適度與環(huán)境衛(wèi)生學(xué)人體最舒適氣候條件的差距，即人體接近環(huán)境衛(wèi)生學(xué)最舒適的程度，物理意義明確。根據(jù)改進模型進行等級劃分時，既考慮荊州各市（縣）的氣候特征，也參考其他省氣象局人體舒適度等級劃分標準，將改進的人體舒適度模型評判等級劃分為J≤18為舒適；18＜J≤23為較舒適；23＜J≤29為較不舒適；J＞29為不舒適。采用上述綜合舒適度指數(shù)計算公式，利用荊州1989—2018年30 a夏季逐日氣象資料計算得到6市（縣）的氣候綜合舒適度指數(shù)（表4）。

表4 1989—2018年荊州6市（縣）夏季J模型舒適度指數(shù) Tabel 4 Comfort index of J model in summer in six counties of Jingzhou from 1989 to 2018

根據(jù)改進的人體舒適度評判標準，從表4得到，夏季人體舒適度松滋為舒適，荊州、公安和洪湖為較舒適，石首和監(jiān)利為較不舒適。表明松滋是荊州消夏避暑勝地，這個評判結(jié)果與2019年7月30日揭曉的首屆湖北省避暑旅游目的地的投票結(jié)果吻合，當時荊州申報的有3個風(fēng)景區(qū)：石首桃花山旅游風(fēng)景區(qū)、松滋洈水風(fēng)景區(qū)和洪湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)，松滋洈水當選，表明改進的人體舒適度J模型評判結(jié)果與人們的體感是一致的，這可以作為松滋洈水入選首屆湖北避暑旅游地的理論依據(jù)之一。說明這個模型和評判標準符合市民體感，具有適用性。

將改進的人體舒適度模型（J模型）與兩個經(jīng)典模型（D、P模型）計算出的舒適度情況進行對比（表1、表2、表4），D模型計算出同一地方的人體舒適度百分比很舒適、舒適和較舒適三項之和在50%左右，不舒適也在50%左右，各地評價結(jié)果均為不舒適；較舒適及以上等級和不舒適百分比差別很小，且各地的較舒適及以上等級百分比相差也很小，最小的相差0.0%，最大的相差7.2%；P模型計算結(jié)果各地人體舒適度指數(shù)相差最小為0.03，最大為1.03，差別也小，舒適度評價僅兩種結(jié)果，為微熱或偏熱；J模型計算人體舒適度指數(shù)在17.2～23.7，各地差別相比D和P模型要大，評價結(jié)果有舒適、較舒適和較不舒適3個等級，由舒適到較不舒適依次是松滋、荊州、洪湖、公安、監(jiān)利和石首，能夠分辨出各市（縣）人體舒適度的差別，方便申報天然氧吧和避暑目的地使用。并且從湖北首屆避暑旅游目的地入圍和評選結(jié)果看，J模型評判結(jié)果與其最相符，表明J模型較適用于荊州夏季人體舒適度預(yù)報、分析和評判。

總之，改進的人體舒適度模型（J模型）具有物理意義明確，分辨率高，評判結(jié)果符合市民體感等3個優(yōu)勢。

3.2 J模型的應(yīng)用分析

3.2.1 改進模型在荊州市應(yīng)用分析

用改進的人體舒適度模型計算荊州6市（縣）1989—2018年30 a平均各月人體舒適度指數(shù)（圖1），并用其評判標準對各市（縣）進行人體舒適度評價（表5）。由圖1可知，荊州各市（縣）一年12個月的人體舒適度指數(shù)均呈“W”型，1—3月和11—12月人體舒適度指數(shù)較大， 4—10月人體舒適度指數(shù)較小。7月是個小峰值，各市縣平均氣溫與最舒適氣溫24 ℃相差4.0～5.5 ℃。在6市（縣）中，松滋人體舒適度指數(shù)各月最小，雖然各市（縣）之間各月平均氣溫相差不到1 ℃，平均風(fēng)速相差更是微乎其微，但是松滋各月平均相對濕度最小，最接近70%，從而導(dǎo)致松滋各月人體舒適度指數(shù)最小，相對其他各市（縣）人體感覺最舒適。人體舒適度指數(shù)監(jiān)利1—3月、6月、8—12月最大，石首4、5、7月最大，這是因為這兩市在這幾個月的平均氣溫和平均相對濕度距離最舒適氣溫和最舒適相對濕度最大。人體舒適度指數(shù)曲線松滋處于最底端，反映荊州6市（縣）一年各月松滋人體舒適度指數(shù)最小，夏季舒適度指數(shù)最小反映盛夏舒適度最好。從松滋30 a逐日人體舒適度各等級累計日數(shù)的月分布圖（圖2）可以看出，松滋逐月舒適度等級為舒適的月分布呈倒“W”型，其中5、6和9月舒適天數(shù)最多，冬季最少；較舒適天數(shù)逐月呈拋物線型分布，總體上較舒適天數(shù)是最少的，其中5—10月較多，冬季最少；較不舒適天數(shù)呈倒“V”型，7月較不舒適天數(shù)較多，僅次于不舒適天數(shù)，冬季最少；不舒適天數(shù)有8個月份較多，其中冬季不舒適天數(shù)最多。

圖1 1989—2018年平均荊州6市（縣）人體舒適度指數(shù)月分布 Fig. 1 Monthly distribution of average human comfort index in six counties of Jingzhou from 1989 to 2018

圖2 1989—2018年松滋人體舒適度各等級天數(shù)月分布 Fig. 2 Monthly distribution of days at different levels of human comfort in Songzi from 1989 to 2018

由表5可知，從市（縣）來看，荊州5、6、9月3個月舒適，8月較舒適，7、10月較不舒適，其他6個月均不舒適；松滋5、6、9月3個月舒適，8、10月較舒適，4、7月較不舒適，其他5個月不舒適；公安5、6、9月3個月舒適，7、8、10月較不舒適，其他6個月不舒適；石首5、6、9月3個月舒適，7、8月較不舒適，其他7個月不舒適；監(jiān)利5、6、9月3個月舒適，7、8月較不舒適，其他7個月不舒適；洪湖5、6、9月3個月舒適，7、8、10月較不舒適，其他6個月不舒適。從月份來看，1—3月和11—12月5個月6市（縣）均為不舒適，4月松滋較不舒適，其他市縣均不舒適，5、6、9月3個月6市（縣）均舒適；7月6市（縣）均較不舒適，8月荊州和松滋較舒適，其他市（縣）較不舒適，10月松滋較舒適，荊州、公安和洪湖較不舒適，石首、監(jiān)利不舒適。人體舒適度指數(shù)表明荊州6市（縣）中松滋舒適度最好。

表5 1989—2018年荊州6市（縣）各月平均人體舒適度概況 Tabel 5 General situation of monthly average human comfort in six counties of Jingzhou from 1989 to 2018

綜上，荊州市人體舒適度30 a概況，一年中6市（縣）均有3個月為舒適，松滋還有2個月的較舒適期。表明荊州6市（縣）人體舒適度滿足申報中國天然氧吧的第一條——氣候條件優(yōu)越。其中，盛夏舒適度最好的是松滋，松滋是荊州最佳避暑旅游目的地，是消夏好去處。

3.2.2 改進模型在湖北省應(yīng)用分析

用改進的人體舒適度模型計算代表鄂東南的咸寧、鄂東北的黃岡和孝感、江漢平原的荊州、鄂西南的宜昌和恩施、鄂西北的襄陽和十堰及武漢1990—2019年30 a平均各月人體舒適度指數(shù)，并用其評判標準對各區(qū)域進行人體舒適度評價。各區(qū)域一年12個月的人體舒適度指數(shù)均呈“W”型，1—3月和11—12月人體舒適度指數(shù)較大，屬于不舒適，這5個月人體舒適度與金琪等[17]分析結(jié)果一致；5—10月人體舒適度指數(shù)較小，與孟麗霞等[13]、譚波等[14]、許善洋等[15]分析結(jié)果大同小異，5月和9月是兩個低谷，最舒適，與金琪等[17]分析結(jié)果一致，7月是一個小峰值，鄂東北、江漢平原、武漢較不舒適，鄂西南、鄂西北、鄂東南較舒適,10月武漢人體舒適度較不舒適，與金琪[17]分析的舒適結(jié)果不相同，武漢10月較不舒適的原因是近30 a月平均氣溫18.4 ℃，與環(huán)境衛(wèi)生學(xué)最舒適氣候條件相比，氣溫相差5.6 ℃、相對濕度相差5.9%、風(fēng)速相差0.8m/s，特別是氣溫相差太多，相對濕度相差也較多，從而導(dǎo)致10月人體舒適度較不舒適。雖然個別月份與金琪等[17]分析的舒適度等級結(jié)果不一致，但改進的人體舒適度模型計算和評價更符合氣候變化及市民體感，表明改進的人體舒適度模型更具有適用性和推廣應(yīng)用價值。湖北5個區(qū)域及武漢各月人體舒適度指數(shù)最小的分別是1月鄂西北，2月江漢平原和鄂西北，3—5月及9—10月武漢，6月鄂西北，7月鄂西南和鄂西北，8月鄂西南，11月江漢平原和鄂東南，12月江漢平原。鄂西南7—8月人體舒適度指數(shù)最小說明鄂西南是湖北最佳避暑旅游目的地，是湖北消夏好去處。

總之，改進的人體舒適度模型在湖北省具有適用性和推廣應(yīng)用價值，用其分析表明鄂西南是湖北避暑勝地。

4 結(jié)論

利用荊州6個國家氣象站1989—2019年夏季逐日平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速等氣象資料，基于兩個經(jīng)典模型計算荊州各市縣的人體舒適度指數(shù)并進行評判，建立荊州改進的夏季人體舒適度模型并確定人體舒適度評判標準，在湖北省進行適用分析，得到如下結(jié)論：

1）兩個經(jīng)典人體舒適度模型計算出的荊州人體舒適度等級差別不大，靈敏度不高，不太適合荊州各地申報天然氧吧及避暑旅游目的地使用。

2）根據(jù)改進人體舒適度模型，確定人體舒適度4級評判標準，能夠靈敏地反映荊州各地人體舒適度狀況。

3）應(yīng)用改進模型分析荊州市人體舒適度30 a概況，一年中6市（縣）均有3個月為舒適期，荊州各地人體舒適度滿足申報中國天然氧吧的第一條—氣候條件優(yōu)越。

4）鄂西南是湖北消夏避暑勝地，荊州的松滋與鄂西南毗鄰，是荊州消夏避暑勝地。

5）改進的人體舒適度模型計算方法簡單，物理意義明確，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

致謝：衷心感謝湖南省氣象局專家戴澤軍博士正研級高工的悉心指導(dǎo)和精心修改！