遼寧省氣候舒適度變化及其對氣象因子的響應(yīng)

曹永強(qiáng)，趙 慧，李可欣，楊雪婷，周姝含

(遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

人體舒適度是建立在以人類機(jī)體和近地面大氣之間的熱交換原理的基礎(chǔ)上，從氣象學(xué)角度來反映人體面對不同的天氣狀況時(shí)所擁有的不同舒適度感受的一項(xiàng)生物氣象指標(biāo)[1]。該指標(biāo)從氣溫、風(fēng)速以及相對濕度等氣象要素的角度進(jìn)行綜合判斷，用來體現(xiàn)人類機(jī)體對所處環(huán)境感受的舒服程度，是評價(jià)人們居住環(huán)境以及旅游舒適度的主要指標(biāo)之一。前人提出了多種表現(xiàn)不同氣候特征的生物氣候?qū)W指標(biāo)[2-3]，包括溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)和著衣指數(shù)等[4-5]。

自20世紀(jì)中葉以來，國內(nèi)外的研究學(xué)者們陸續(xù)開始進(jìn)行有關(guān)氣候舒適性方面的研究。1945年Brunt[6]最早在Nature雜志討論了氣候和人體舒適度存在的關(guān)系。1947年有學(xué)者提出實(shí)感氣溫的概念，其是根據(jù)熱感覺指標(biāo)，后續(xù)研究分別描述了多種或一種氣象要素對人體舒適感的影響[7-11]；美國國家氣象局已建立了多種舒適度指標(biāo)和溫濕指數(shù)并用于人體舒適度預(yù)測工作。俄羅斯學(xué)者[12]研究調(diào)查了俄羅斯天氣和氣候舒適度的變化進(jìn)行回顧性分析并且對未來(2020—2050年)數(shù)據(jù)分析，使用Marchek數(shù)值數(shù)學(xué)研究所RAS的氣候模型進(jìn)行計(jì)算，研究結(jié)果表明大陸性氣候強(qiáng)烈的地區(qū)，冬季會更舒適。YAZDanpanah等[13]表明一些旅游目的地面臨著氣候舒適日數(shù)減少的風(fēng)險(xiǎn)。這些研究區(qū)與遼寧省所在區(qū)域海陸位置差異明顯因，因此更適合探究遼寧省的氣候舒適度?？傮w來說，中國對人體舒適度的研究起步較晚。但近20年，國內(nèi)在研究方法和研究手段方面取得很大的進(jìn)步，李山等[14]利用溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)分析了氣候舒適期的空間格局及其季節(jié)性特點(diǎn)；曹永強(qiáng)等[15]分析了遼寧省夏季舒適度并根據(jù)變化趨勢對舒適區(qū)域進(jìn)行劃分。

東北地區(qū)有關(guān)氣候舒適度的研究成果頗多。呂拉昌等[16]采用溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的模型組合，并參考人居環(huán)境氣候舒適度的綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。朱保美等[17]采用氣候統(tǒng)計(jì)方法和氣候舒適度評價(jià)模型，對比分析沿海和內(nèi)陸城市各氣候要素之間及氣候舒適度的差異。蔚丹丹等[18]認(rèn)為氣候舒適度對人類活動(dòng)和人居環(huán)境都影響深遠(yuǎn)，相關(guān)的評價(jià)模型/指數(shù)在建筑、城劃、旅游和人體健康發(fā)展等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。李源等[19]依據(jù)人的表皮散熱方式、代表人類機(jī)體對氣候環(huán)境的感受具體提出了一個(gè)計(jì)算人體舒適度指數(shù)的方案。該方案綜合考慮了風(fēng)速、溫度、相對濕度對人體舒適度的影響，并在遼寧省的氣象服務(wù)中取得了良好的應(yīng)用效果。余志康等[20]以40°N以北的某些城市為研究目標(biāo)，對北方城市氣候舒適度以及旅游潛力等做出定量評價(jià)；馮定原等[21]根據(jù)Steadman[22]的感熱溫度理論，從各個(gè)角度分析了中國不同地域的四季感熱溫度的分布狀況，并研究討論了體感溫度的高低對人類活動(dòng)的影響；叢曉男等[9]研究了中國城市旅游的氣候舒適度，并分析了時(shí)空演變規(guī)律；嚴(yán)明良等[23]提出關(guān)于環(huán)境氣象指數(shù)與人體舒適度指數(shù)的7種研究方法，吳兌[3]認(rèn)為生物氣溫指標(biāo)的不同表示都來自十多種人體舒適度預(yù)測公式，并且它們之間存在差異性以及對適用性進(jìn)行探討。任學(xué)慧等[24]利用人體舒適度指數(shù)，研究遼寧部分沿海城市地區(qū)的氣候舒適度，預(yù)計(jì)這些地區(qū)氣候舒適度有升高趨勢。綜合以往研究來看，眾多學(xué)者探討氣候舒適度時(shí)，方向主要著重于氣候?qū)β糜钨Y源的影響和基于GIS軟件對旅游氣候舒適度的研究，對于人居環(huán)境氣候舒適度的研究匱乏[25]。

研究人體舒適度對城市發(fā)展具有重要意義，它直接影響人們的日常生活，對旅游業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有指導(dǎo)性作用，同時(shí)對人體舒適度進(jìn)行研究還可以促進(jìn)城市天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展、減少城市中污染源排放、對城市規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。近些年來，人們的生活質(zhì)量越來越好，與此同時(shí)對城市氣候和氣象服務(wù)的要求也越來越高，在城市氣象服務(wù)中，人體舒適度占據(jù)著一個(gè)舉足輕重的地位，這直接影響著城市居民的日常生活。振興東北戰(zhàn)略實(shí)施10年以來，遼寧省將繼續(xù)作為東北地區(qū)發(fā)展的支撐和引領(lǐng)，因此有必要對遼寧省氣候舒適度進(jìn)行研究。

本文基于遼寧省特殊的地理位置以及氣候舒適度對旅游業(yè)發(fā)展、城市規(guī)劃、天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確預(yù)測等作用，立足可持續(xù)發(fā)展的需要，根據(jù)1964—2018年遼寧省氣象數(shù)據(jù)，從氣候變化和人體感知程度兩方面出發(fā)，選取氣溫、風(fēng)速和相對濕度3個(gè)氣象因子運(yùn)用人體舒適度公式進(jìn)行計(jì)算得出舒適度指數(shù)，再依據(jù)不同等級標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)出四季舒適度指數(shù)和舒適度日數(shù)的關(guān)系規(guī)律，進(jìn)一步分析遼寧省人體舒適度對氣象因子的響應(yīng)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

遼寧省位于中國東北部，南臨黃海、渤海，位于118°50′～125°47′E，38°43′～43°29′N；年均氣溫8.68℃，各地日平均氣溫低于0℃的日數(shù)基本上在100～145 d。年均相對濕度為63.62%，年均風(fēng)速為2.96 m/s，年日照總時(shí)數(shù)達(dá)到2 585 h。主要?dú)夂蝾愋蜑闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，氣候特征為四季分明，春秋兩季持續(xù)時(shí)間相對較短，冬季持續(xù)時(shí)間較長，夏季高溫多雨。雨熱同期，但降水量時(shí)空分布不均，總體上由東南濕潤向西北半濕潤、半干旱過渡。

研究區(qū)所需氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)，主要包括1964—2018年的日平均氣溫、日平均風(fēng)速以及日平均相對濕度，見圖1。根據(jù)遼寧省氣候特點(diǎn)，選取四季的標(biāo)準(zhǔn)按照：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12至次年2月為冬季。依據(jù)人體舒適度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)4個(gè)季度的舒適日頻率。

1.2 研究方法

人體舒適度指數(shù)是評估在不同的天氣/氣候下人體的舒適程度，從氣象角度來看，通過考察氣溫、相對濕度和風(fēng)速等，運(yùn)用一定公式計(jì)算出人體在不同的氣候環(huán)境下感覺舒服的程度。通常來講，氣象因子中的氣溫、風(fēng)速和相對濕度這3個(gè)因素對人體舒適感知影響最大，根據(jù)這3個(gè)氣象要素計(jì)算得出的非線性方程就是人體舒適度指數(shù)。運(yùn)用Excel計(jì)算相關(guān)系數(shù)，對氣溫、濕度和風(fēng)速進(jìn)行定量分析影響氣候舒適度的主要因子及其變動(dòng)的相關(guān)程度。

采用國內(nèi)近年來比較流行的人體舒適度指數(shù)(Comfort Index of Human Body，CIHB)[26]，在計(jì)算CIHB時(shí)，綜合考慮氣溫、濕度和風(fēng)速對人體舒適度指數(shù)影響，根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)，這里采用適合北方地區(qū)的計(jì)算公式，即：

(1)

式中 CIHB——人體舒適度指數(shù)；t——平均溫度，℃；hu——相對濕度，%；v——風(fēng)速，m/s。

通過觀察公式可以初步判斷，氣溫是作為影響人體舒適度的最為敏感的氣象因素。

為了方便統(tǒng)計(jì)舒適日數(shù)，根據(jù)非線性方程將人體對氣候的感覺劃分為11個(gè)舒適等級[26]，分級情況見表1。將1、2、3、4級稱為冷不舒適等級，將5、6、7級統(tǒng)稱舒適等級，將8、9、10、11級稱熱不舒適等級，所以5、6、7級別的天數(shù)符合人體舒適日數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧省氣候變化特征分析

選用1964—2018年23個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、風(fēng)速、相對濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，運(yùn)用相關(guān)性分析、距平分析、氣候傾向率、5年滑動(dòng)平均等計(jì)算方法，分析探討了遼寧省1964—2018年氣象要素變化的基本特征。

2.1.1氣溫分析

遼寧省近55年的氣溫變化特征見圖2，大體上，溫度變化趨勢波動(dòng)上升。最低氣溫出現(xiàn)于1969年，平均氣溫變化率為0.248 ℃/10a。在1987年前年均溫距平以主要是負(fù)值，呈波動(dòng)上升趨勢，1989年之后為正值且繼續(xù)呈上升趨勢，在2005年開始有一段急速下滑階段。5年滑動(dòng)平均明顯波動(dòng)有3次，1978、1994、2013年升高至峰值，1967、1983、2009年降到波谷。1987年以后年均氣溫高于前期并且升高明顯。和全球氣溫上升的趨勢保持一致，自19世紀(jì)中期開始記錄溫度開展以來，20世紀(jì)90年代是溫度最高的10年。

2.1.2風(fēng)速分析

遼寧省近55年的風(fēng)速變化特征見圖3，遼寧省的風(fēng)速變化情況總體呈下降趨勢，變化傾向率為-0.176 m/(s·10a)。1986年以前距平值為正值，下降趨勢明顯，風(fēng)速相對較大；1986年以后距平值大體上負(fù)數(shù)，在1964—2005年5年滑動(dòng)趨勢下降明顯，2005年以后風(fēng)速逐漸增大；5年滑動(dòng)平均曲線在2005年出現(xiàn)低谷，波峰出現(xiàn)在2014年，在1987—2005年風(fēng)速變化經(jīng)歷了“減小→增大”的過程。

圖3 遼寧省1964—2018年風(fēng)速變化特征

2.1.3相對濕度分析

遼寧省近55年的相對濕度變化特征見圖4，相對濕度大致呈現(xiàn)一個(gè)連續(xù)波動(dòng)且逐漸降低的趨勢，相對濕度的氣候傾向率為-0.29 %/10a。在55年數(shù)據(jù)中，正距平與負(fù)距平的情況不定時(shí)交叉出現(xiàn)，且狀態(tài)不穩(wěn)定。5年滑動(dòng)平均曲線有2次波谷出現(xiàn)，為1980、2001年，1990、2006年出現(xiàn)2次峰值；相對濕度變化經(jīng)歷了“低→高→低→高→低”的過程。

圖4 遼寧省1964—2018年相對濕度變化特征

2.2 人體舒適度指數(shù)變化特征分析

根據(jù)人體舒適度公式對遼寧省1964—2018年人體舒適度指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見圖5，人體舒適度指數(shù)的年平均值處于42～48。依據(jù)人體舒適度分級標(biāo)準(zhǔn)可知，年均人體舒適度指數(shù)在此區(qū)間內(nèi)人的感受為不太舒適，很涼。遼寧省四季分明，是典型的溫帶季風(fēng)氣候。在4個(gè)季節(jié)中，夏季最為舒適，春、秋、冬季舒適日數(shù)相對較低，尤其是冬季，舒適度指數(shù)和舒適日頻率均為最低。但根據(jù)分析結(jié)果來看，近55年來人體舒適度指數(shù)上升趨勢明顯，平均增長率為0.52/10a，因此人類的居住環(huán)境在舒適度方面向好發(fā)展。在1987年以后，人體舒適度的均值基本位于趨勢線以上，此轉(zhuǎn)變時(shí)間點(diǎn)與氣溫上升加快速度保持一致，由此表明氣溫是影響人體舒適度最重要的指標(biāo)[30]。

圖5 遼寧省1964—2018年人體舒適度指數(shù)變化趨勢

2.3 人體舒適日數(shù)變化特征分析

根據(jù)全省55年數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，CIHB和舒適日數(shù)變化特點(diǎn)在季節(jié)上基本保持一致，都呈現(xiàn)出夏季最高、春秋次之、冬季最低的變化特點(diǎn)，其中夏季的CIHB為66.46，舒適等級日頻率為92.1%，平均值均為最高；相反，冬季的CIHB和舒適日頻率最低，CIHB為22.42，舒適等級日頻率低至0.14%，春秋兩季相差不大。全省歷年平均人體舒適度指數(shù)為45.1，平均舒適等級日數(shù)在156 d以上，舒適日頻率為42.9%，見圖6。

圖6 1964—2018年人體舒適度指數(shù)和舒適日頻率季度變化

夏季，7、8兩個(gè)月處于比較舒適等級，而6月份遼寧省都處于舒適等級，這是因?yàn)樵谥袊鴸|部及遼東半島地區(qū)的氣溫在6月份時(shí)候受到海洋的影響較強(qiáng)[29]，相對內(nèi)陸地區(qū)而言氣溫升高較緩慢，同時(shí)在適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速、相對濕度和日照時(shí)數(shù)等其他氣象因子的共同作用下，氣候環(huán)境會表現(xiàn)得更為舒適。因此6月份的遼寧省是理想的避暑勝地，在最適合旅游的月份大眾可以適當(dāng)?shù)匕才怕糜瓮獬鲇?jì)劃，尤其是在沿海地區(qū)，天氣涼爽、氣候舒適，更適合出行。羅軼[30]在中國大陸氣候舒適域的季節(jié)漲落與類型分布中描述了夏至、大暑節(jié)氣中國大陸氣候舒適域空間分布狀況，遼寧省在夏至期間均處于氣候舒適區(qū)域，在大暑期間遼寧省除中部遼河流域小部分區(qū)域外，東部和西部也都屬于氣候舒適域，相比中國其他大部分省份，氣候舒適的優(yōu)勢比較明顯。

不同地區(qū)的舒適日數(shù)會呈現(xiàn)一定的差異，本文借助ArcGIS軟件，得到遼寧省1964 —2018年各個(gè)站點(diǎn)的舒適日數(shù)的空間分布情況，并以此反映遼寧省氣候舒適度的空間分布，見圖7。從分布特征來看，舒適日數(shù)大體上按照緯線型分布，沿海地區(qū)舒適日數(shù)較靠近內(nèi)陸地區(qū)相對較多，舒適日數(shù)總體呈現(xiàn)西南向東北遞減。

圖7 遼寧省各區(qū)域舒適日數(shù)分布

值得注意的是，在遼西北地區(qū)舒適日數(shù)相對較多，這是因?yàn)檫|寧西北部地區(qū)與內(nèi)蒙古自治區(qū)相鄰，會受到內(nèi)蒙古地區(qū)溫帶大陸性氣候干冷空氣的影響。此外，由于東南部依山傍海，受到海面季風(fēng)的影響，屬于溫帶季風(fēng)氣候，氣候特征是冬暖夏涼，因此該區(qū)域年均舒適日天數(shù)也較多。

2.4 人體舒適度指數(shù)對氣象因子的響應(yīng)

氣候舒適度是指在人們在賴以生存的生活空間和自然環(huán)境下，人類機(jī)體對各種氣象因子外部適宜程度的感覺。所以人體的感覺是簡潔且直接判斷氣候條件的好壞的方法，但在外部氣候環(huán)境和用大氣探測器獲取得的其他各種氣候因素條件下，人們對其的感知的結(jié)果是不同的。氣象因子是影響其他氣候條件發(fā)展變化的原因或條件。為了分析氣候舒適性，Ge等[26]的研究表明人居環(huán)境在氣候變化影響下表現(xiàn)為多種方面。

通過3個(gè)氣象因子與CIHB之間的關(guān)系可以說明，氣溫對CIHB的影響最大，從影響系數(shù)得知，氣溫與人體舒適度之間存在非常顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.873 9(通過置信0.01檢驗(yàn)，圖8)。風(fēng)速與相對適度與人體舒適度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.663 7(通過置信0.01檢驗(yàn)，圖9)和-0.440 5(通過置信0.01檢驗(yàn)，圖10)。風(fēng)速與CIHB的相關(guān)性顯著，相對濕度與CIHB的相關(guān)性較為顯著。氣溫的影響系數(shù)最大，達(dá)到0.873 9，說明氣溫對人體舒適度的正影響最大。風(fēng)速相對濕度的影響系數(shù)為負(fù)值，說明風(fēng)速和相對濕度對人體舒適度產(chǎn)生負(fù)影響。因此，3個(gè)影響因子中，氣溫直接影響人體舒適度，且為正作用；風(fēng)速和相對濕度影響小且為負(fù)作用，綜合而言，氣溫對人體舒適度的影響最大。

圖8 人體舒適度指數(shù)與溫度的線性關(guān)系

圖9 人體舒適度指數(shù)與風(fēng)速的線性關(guān)系

圖10 人體舒適度指數(shù)與相對濕度的線性關(guān)系

綜上所述，3個(gè)氣象因子的相關(guān)關(guān)系程度為氣溫>風(fēng)速>相對濕度。氣溫對人體舒適度指數(shù)的影響最大，且呈正相關(guān)關(guān)系，相對濕度與風(fēng)速的變化同樣也影響人體舒適度，與人體舒適度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相對濕度則是影響最小的氣象因子。所以在眾多氣候要素中選擇氣溫、風(fēng)速和相對濕度進(jìn)行分析。氣象因子的變化是導(dǎo)致人體舒適度變化的根本原因，氣溫、風(fēng)速以及相對濕度對人體舒適度均有影響。氣溫和風(fēng)速2個(gè)氣象因子是影響氣候舒適性的主要因素，這些氣象因子的變化影響著人體舒適度指數(shù)，對其有著升高或降低的作用，這與董蕙青、肖晶晶、何靜等[31-33]的研究結(jié)論基本一致。但與南方這幾個(gè)省市舒適期長短不一致，導(dǎo)致差異的原因是南寧、浙江、重慶這幾個(gè)省市在地理區(qū)劃上位于南方，7月中國南方均溫較高，降水也主要集中在夏季，因此大部分地區(qū)悶熱潮濕，而遼寧省處于北方，氣溫和降水都稍遜南方地區(qū)，因此氣候相對舒適。

3 結(jié)論

a)55年來遼寧存在氣溫增暖、風(fēng)速減小和濕度變干的氣候變化特征;各氣象要素經(jīng)歷了不同的演變過程，氣溫、風(fēng)速和相對濕度分別經(jīng)歷了“暖→冷→暖”“小→大”“低→高→低→高→低”的過程。

b)根據(jù)1964—2018年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)遼寧平均年舒適日數(shù)可達(dá)7～8個(gè)月；6月份全是舒適日數(shù)，全省歷年平均CIHB為45.2。所以全省最佳避暑季節(jié)為夏季，此時(shí)全省全年舒適日多，多數(shù)符合人體舒適度的標(biāo)準(zhǔn)。

c)夏季的舒適日數(shù)最多，舒適頻率在夏季最高，在冬季最低，全年舒適日頻率為42.9%。各個(gè)地區(qū)不同的人體舒適度指數(shù)日變化說明了夏季相對于冬季而言氣象因子的影響會更大。

d)近年來人體舒適度指數(shù)逐年上升，相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)氣溫是影響遼寧氣候舒適度的最主要因素，風(fēng)速和濕度也會在一定程度上影響氣候舒適度。舒適度指數(shù)相關(guān)性最為密切的氣象因子是氣溫，與風(fēng)速和相對濕度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系。