近60 年柳州市人居氣候舒適度評(píng)價(jià)及變化趨勢(shì)

黃 維，劉永裕，蔣麗媛，裔傳祥，吳炫柯

（1.柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，廣西 柳州 545000；2.柳州市潭中人民醫(yī)院，廣西 柳州 545000；3.鹽城市氣象局，江蘇 鹽城 224000）

全球氣候變暖已成為毋庸置疑的事實(shí)，近100年內(nèi)，全球平均溫度已升高0.85 ℃，近60 年上升尤其明顯［1，2］。此外，日照時(shí)數(shù)呈總體減少趨勢(shì)，夏季下降幅度最大，秋、冬季次之，春季最?。?］。氣候條件是構(gòu)成人類居住環(huán)境舒適度的重要因子之一，氣候變化勢(shì)必會(huì)對(duì)人類居住環(huán)境產(chǎn)生一系列影響。特別是隨著當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)城市居住環(huán)境的要求進(jìn)一步提高，城市人居氣候舒適度已經(jīng)成為生態(tài)城市研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。近年來，眾多學(xué)者采用綜合舒適度、溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)等指標(biāo)，對(duì)各地氣候舒適度開展一系列卓有價(jià)值研究，為科學(xué)指導(dǎo)旅游出行、客觀評(píng)價(jià)城市人居環(huán)境等提供了重要的科學(xué)參考［4-16］。

柳州市地處桂中北部，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，7月和8 月平均溫度最高，1 月和2 月平均溫度最低，年總?cè)照諘r(shí)數(shù)為1 250～1 570 h［17］。柳州市不僅是廣西壯族自治區(qū)（以下簡(jiǎn)稱廣西）最大的工業(yè)基地，還是重要的旅游勝地。該市集中了廣西80%以上的4A 級(jí)旅游風(fēng)景區(qū)，市區(qū)擁有百里柳江、蓮花山自然保護(hù)區(qū)、三門江國家森林公園等自然景區(qū)，自然環(huán)境優(yōu)越。目前，關(guān)于柳州市氣候人居氣候舒適度的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究以溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用 GB/T 27963—2011 標(biāo)準(zhǔn)［18］，分析人居環(huán)境氣候舒適度的變化特征，旨在為柳州市人居環(huán)境的評(píng)價(jià)、生態(tài)宜居城市建設(shè)以及旅游資源的開發(fā)等提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

從柳州市氣象局獲取柳州國家基本氣象站1961—2020 年逐日氣象資料，數(shù)據(jù)主要包括平均氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)。

1.2 研究方法

根據(jù)GB/T 27963—2011 標(biāo)準(zhǔn)，選取溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)作為人居環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于月人居氣候舒適度評(píng)價(jià)，當(dāng)溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)不一致時(shí)，冬半年（10 月至次年3 月）以風(fēng)效指數(shù)為主指標(biāo)，夏半年（4—9 月）以溫濕指數(shù)為主指標(biāo)。溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的計(jì)算公式如下。

式中，I為溫濕指數(shù)，K為風(fēng)效指數(shù)，T為評(píng)價(jià)時(shí)段平均氣溫（℃），RH為評(píng)價(jià)時(shí)段平均相對(duì)濕度（%），v為評(píng)價(jià)時(shí)段平均風(fēng)速（m/s），S為評(píng)價(jià)時(shí)段平均日照時(shí)數(shù)（h）。根據(jù)GB/T 27963—2011，將溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)劃分為5 個(gè)等級(jí)，如表1 所示。

表1 人居氣候舒適度等級(jí)劃分

1.3 趨勢(shì)分析

采用線性趨勢(shì)分析法，分析溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)時(shí)間變化趨勢(shì)，公式如下。

式中，xt為溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的擬合值。a0為變量初始值，a1為趨勢(shì)系數(shù)，t為時(shí)間。a1正值表示x隨時(shí)間t呈增加趨勢(shì)，反之呈減少趨勢(shì)。

1.4 小波分析

選擇Morlet 復(fù)數(shù)小波分析溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的時(shí)序周期變化特征，該小波是Gauss 包絡(luò)下的單頻率復(fù)正弦函數(shù)，在時(shí)域和頻域內(nèi)具有較好的局部聚集性［19，20］。Morlet復(fù)數(shù)小波函數(shù)如下。

式中，ψ(t)為小波函數(shù)，i為復(fù)數(shù)單位，e 為指數(shù)函數(shù)的底，t為自變量，ω0為無量綱頻率，其值取6［21］。對(duì)于時(shí)間序列xb*（b*= 0，1，2，…，N-1，N為時(shí)間序列的長(zhǎng)度），其小波變換如下。

式中，Wb*（a，b）為小波變換系數(shù)，ψ*表示其共軛復(fù)函數(shù)，a為尺度因子，b為時(shí)間平移因子，δt為采樣時(shí)間間隔。

2 結(jié)果與分析

2.1 人居氣候舒適度月評(píng)價(jià)及變化趨勢(shì)

計(jì)算1961—2020 年1—12 月溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的平均值，結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯觯瑴貪裰笖?shù)范圍在11.0～27.0，1—12 月的溫濕指數(shù)呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在1 月，最大值出現(xiàn)在7月，根據(jù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，1、2 月和12 月溫濕指數(shù)評(píng)價(jià)為寒冷，3 月溫濕指數(shù)評(píng)價(jià)為冷，4、5、9—11 月溫濕指數(shù)評(píng)價(jià)為舒適，6—8 月溫濕指數(shù)評(píng)價(jià)為熱。風(fēng)效指數(shù)范圍在-468.2～-32.7，1—12 月的風(fēng)效指數(shù)呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在1 月，最大值出現(xiàn)在 7 月和 8 月，根據(jù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，1、2 月和 12 月風(fēng)效指數(shù)評(píng)價(jià)為寒冷，3 月風(fēng)效指數(shù)評(píng)價(jià)為冷，4、5、10、11 月風(fēng)效指數(shù)評(píng)價(jià)為舒適，6—9 月風(fēng)效指數(shù)評(píng)價(jià)為熱。從上述分析可知，除了9 月溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)評(píng)價(jià)不一致外，其他月份溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)評(píng)價(jià)均一致。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)不一致時(shí)，夏半年（4—9 月）使用溫濕指數(shù)，因此9 月最終評(píng)價(jià)為舒適。

表2 1—12 月人居氣候舒適度評(píng)價(jià)

1—12 月溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)年變化趨勢(shì)分析見表3?？梢钥闯觯? 月溫濕指數(shù)回歸系數(shù)小于0，其他月份回歸系數(shù)均大于0，但僅有6 月和11 月的回歸系數(shù)通過 0.05 顯著水平檢驗(yàn)；1、5、6、7、8、9 月和12 月風(fēng)效指數(shù)回歸系數(shù)小于 0，2、3、4、10 月和 11 月大于0，但僅有10 月回歸系數(shù)通過0.05 顯著水平檢驗(yàn)?？偟膩碚f，月溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的年際變化趨勢(shì)不顯著。

表3 1—12 月溫濕指數(shù)和月風(fēng)效指數(shù)的年際變化趨勢(shì)分析

2.2 人居氣候舒適度年評(píng)價(jià)及變化趨勢(shì)

溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)年際變化規(guī)律如圖1 所示。年溫濕指數(shù)（圖1a）范圍在19.02～20.81，最小值出現(xiàn)在1984 年，最大值出現(xiàn)在2016 年，整體呈上升趨勢(shì)，回歸系數(shù)為0.32，通過0.01 顯著性水平檢驗(yàn)，根據(jù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，1961—2020 年均處于舒適范圍內(nèi)。風(fēng)效指數(shù)（圖1b）范圍在-312.35～-198.61，最小值出現(xiàn)在2020 年，最大值出現(xiàn)在2009 年，整體變化趨勢(shì)不明顯，根據(jù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，1961—2017 年處于舒適范圍內(nèi)，2018—2020 年處于冷范圍內(nèi)。值得注意的是，溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)2018—2020 年連續(xù)3 年走低，這主要與2018 年柳州國家基本氣象站的搬遷有關(guān)。

圖1 溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的年際變化趨勢(shì)

年溫濕指數(shù)和年風(fēng)效指數(shù)的小波分析如圖2 所示?？梢钥闯?，溫濕指數(shù)（圖2a）在4 年和8 年尺度的周期變化，4 年尺度主要發(fā)生在1984—1990 年，8年尺度主要發(fā)生在2009 年以后，且能量較強(qiáng)，但大部分在影響曲線之外。風(fēng)效指數(shù)（圖2b）在8 年尺度的周期變化，主要發(fā)生在2013—2020 年，但該尺度在影響錐形曲線之外，因此風(fēng)效指數(shù)未表現(xiàn)明顯的周期變化規(guī)律。

圖2 溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)連續(xù)小波功率譜

3 小結(jié)與討論

柳州月人居氣候舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果表明，1、2 月和 12 月為寒冷，3 月為冷，4、5 月和 9—11 月為舒適，6—8 月為熱；1—12 月溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的年際變化趨勢(shì)不明顯，舒適月份較為穩(wěn)定，每年4、5 月和9—11 月則較適合生活起居和出行旅游。近60 年溫濕指數(shù)均處于舒適范圍內(nèi)，呈顯著上升趨勢(shì)，存在4年和8 年尺度的周期變化，4 年尺度主要發(fā)生在1984—1990 年，8 年尺度主要發(fā)生在2009 年以后，且能量較強(qiáng)。風(fēng)效指數(shù)在1961—2017 年處于舒適范圍，2018—2020 年處于冷范圍，但未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)和周期變化規(guī)律。2018—2020 年溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)偏低，這主要與2018 年柳州國家基本觀測(cè)站搬遷有關(guān)，新址海拔為306.0 m，比舊址96.8 m 高出209.2 m，溫度、風(fēng)速、日照和相對(duì)濕度會(huì)有顯著差異，為更貼近人居的地面環(huán)境情況，之后研究需對(duì)2018 年后氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行換算。

本研究采用的是GB/T 27963—2011 標(biāo)準(zhǔn)劃分人居氣候舒適度。研究表明，在長(zhǎng)期的人地關(guān)系演化中，人體對(duì)氣候環(huán)境形成了鮮明的地域性適應(yīng)，例如長(zhǎng)期居住在熱帶地區(qū)的人群要比中緯度地區(qū)的人群具有更強(qiáng)的耐熱性［22］。因此，在氣候舒適度評(píng)價(jià)中，體感分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的制定需要“因地制宜”，不能簡(jiǎn)單地移植套用。后續(xù)研究應(yīng)根據(jù)柳州當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，開展人群抽樣的情景試驗(yàn)或自然調(diào)查，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行本地化，進(jìn)而獲得一個(gè)更貼近實(shí)際的本地化人居氣候舒適度劃分標(biāo)準(zhǔn)。