基于GIS的人居環(huán)境氣候舒適度評價

徐立強(qiáng)

內(nèi)蒙古自治區(qū)寧城縣氣象局，內(nèi)蒙古赤峰 024200

基于GIS的人居環(huán)境氣候舒適度評價，需要針對GIS技術(shù)中的勘測、分析、存儲等功能，來增加評價的專業(yè)性，分別從氣溫、空氣相對濕度、風(fēng)速、不舒適指數(shù)等方面來評價氣候舒適度的綜合，使評價更加的完整和具體，確保評價結(jié)果的真實性。我國地域比較遼闊，要了解某一地區(qū)的人居環(huán)境氣候舒適度，還要針對具體地區(qū)具體分析，GIS技術(shù)的輔助能夠減少評價人員的一定工作量，也是保障人居環(huán)境氣候舒適度評價準(zhǔn)確度的重點，因而被廣泛應(yīng)用。

1 基于GIS的人居環(huán)境氣候舒適度評價的意義

人類居住環(huán)境是人類賴以生存的土地，是與人類各種生活、活動密切相關(guān)的地表空間。人類居住環(huán)境是人類在自然中生存的基礎(chǔ)，是人類利用和改造自然的主要場所。從人類居住環(huán)境的內(nèi)容上看，人居環(huán)境包括五大系統(tǒng)，分別是：自然系統(tǒng)、人類系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、居住系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)。

從居住環(huán)境五大系統(tǒng)角度出發(fā)，居住環(huán)境評價指標(biāo)要考慮氣候、植被、地形、土地利用、水文、人口密度和人均收入、文化水平、公共服務(wù)、資源配置、社會穩(wěn)定、社會福利和居住條件、建筑質(zhì)量、交通系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機(jī)信息系統(tǒng)等。顯然，人居環(huán)境研究的內(nèi)容非常廣泛，涉及政治、社會、文化、技術(shù)等方面。其中，氣候是最活躍的因素，也是最基本的因素之一，只要一個城市或地區(qū)的氣候不適合人類居住，無論其他居住環(huán)境指標(biāo)再完善，都不是一個適合居住的城市或地區(qū)。

氣候的舒適程度決定了居住環(huán)境的舒適與否，也是人們評價一個城市或地區(qū)宜居性的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。氣候舒適度評價利用GIS的空間分析功能，除了傳統(tǒng)方法從城市中最小單元向外整體評價外，還能顯著細(xì)化價值評價單元，即傳統(tǒng)格點法可以將城市劃分為幾個單元，使之平面化，即將格點法氣候舒適度評價擴(kuò)展到平面。因此，應(yīng)用GIS空間分析功能可以更全面、準(zhǔn)確地評價氣候舒適度，基于GIS的人居環(huán)境氣候舒適度評價，有利于提高人居環(huán)境氣候舒適度評價的效率、有利于增加人居環(huán)境氣候舒適度評價的準(zhǔn)確度，同時，也有利于我國人居環(huán)境氣候舒適度評價的發(fā)展。

2 國內(nèi)外舒適度研究的現(xiàn)狀

2.1 國外舒適度研究的現(xiàn)狀

國外對舒適度的研究可分為2個階段：早期研究的重要特點是采用經(jīng)驗公式進(jìn)行定性描述或定量討論。Cai 等[1]認(rèn)為，大氣濕度變化對人體舒適度的影響很小，只有在溫度較高或較低的情況下，濕度的變化才會對人體熱感覺產(chǎn)生影響。后期對舒適度的研究進(jìn)入定量階段，主要從人體熱平衡的角度研究人體對冷、熱的具體程度。后來，Ali等[2]提出了不適指數(shù)，我國國家氣象局利用溫濕度指數(shù)對夏季舒適度進(jìn)行預(yù)測，提出了舒適度指數(shù)和風(fēng)效率指數(shù)。

2.2 國內(nèi)舒適度研究的現(xiàn)狀

國內(nèi)對舒適的研究起步較晚，直到1980年之后才開始出現(xiàn)相關(guān)的研究，人居環(huán)境氣候舒適度還只是一種定性描述，并在1991年之后才有更多的學(xué)者進(jìn)行研究與分析，基于舒適潔凈的原理提出了“宜人氣候度評價模型”，并提出了人體感覺溫度模型[3]。還有相關(guān)人員研究參考國外相關(guān)的不適、溫濕度指數(shù)等，結(jié)合我國的氣候特點建立了我國天氣舒適與人體的計算公式，用環(huán)境健康相關(guān)信息的方法，考慮溫度、相對濕度和風(fēng)速對人體舒適度的影響，提出了綜合舒適度指標(biāo)[4]。

3 國內(nèi)外舒適度的表示方法

影響氣候舒適度的主要因素有溫度、相對濕度、風(fēng)速、氣壓、太陽輻射等，其中，溫度對舒適度起主導(dǎo)作用，過高或過低的溫度引起的不適是明顯的。但是，僅通過空氣溫度來描述人體對周圍環(huán)境的冷熱感覺是不完全準(zhǔn)確的，因為空氣相對濕度、風(fēng)速、氣壓、太陽輻射等氣象因素都會影響人體的熱平衡。

濕度變化對人體的健康有著一定的影響，人體本身存在的散熱性和排汗性會調(diào)節(jié)人體的濕度，從而達(dá)到一定的平衡，一旦某一地區(qū)的濕度較重，人體無法進(jìn)行自主的排濕，就會給人體造成壓力，減輕人體居住的舒適度。一些地區(qū)的氣溫較高，這些氣溫較高的地區(qū)就加速人體中水分的流失，造成人體的不適，這樣的地區(qū)居住舒適度也比較低。一些早晚溫差和季節(jié)溫差比較大的地區(qū)，早晨和夜間的溫度比較低，但是中午的溫度比較高，人體在這種地區(qū)的溫度變化下，容易忽冷忽熱，形成感冒等疾病，引起人體的不適。

風(fēng)在人皮膚的接觸過程中，微風(fēng)可以增加人體的舒適度，讓人產(chǎn)生一種比較涼爽的感覺，大風(fēng)會吹起地面的一些物質(zhì)，這些物質(zhì)來人體表面會由于風(fēng)的帶動增加人體的痛感，因此，一些地區(qū)的風(fēng)比較小，微風(fēng)的狀態(tài)下比較適合人類的居住，居住舒適度也會增加；而那些植被較少的地區(qū)，由于其本身的空曠和風(fēng)力的增加，會造成人體的不適，不適合人類進(jìn)行居住，居住的舒適度也會大大降低。

氣壓對居住舒適度有著一定的影響，一些氣壓比較強(qiáng)的地區(qū)，如高山和高原，對部分人群的影響較大，有些人在這些地方進(jìn)行居住容易呼吸急促，甚至?xí)粑щy，因此，這些地區(qū)只適合一部分人進(jìn)行居住，居住的適合度會低于正常氣壓的地區(qū)[5]。

4 實例分析

4.1 研究內(nèi)容

以寧城縣為例，對寧城縣2021年度的氣候變化進(jìn)行分析，包括氣溫變化、濕度變化、風(fēng)速變化等，并收集相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)綜合分析寧城縣的居住舒適度，對人居環(huán)境氣候舒適度進(jìn)行評價。

4.2 基于GIS的研究方法

人居環(huán)境氣候舒適度評價需要依靠GIS技術(shù)來進(jìn)行分析，以往我國對某一地區(qū)的人居環(huán)境氣候舒適度評價，都是以一個城市為單位，在該城市中記錄一段時間之內(nèi)的人居環(huán)境氣候變化，這樣的方式只適合分析和評價一個小地區(qū)的人居環(huán)境氣候舒適度，不能夠?qū)φ麄€地區(qū)乃至其周邊地區(qū)進(jìn)行人居環(huán)境氣候舒適度評價，這樣的評價方式過于單一，也會增加人居環(huán)境氣候舒適度評價的難度，影響人居環(huán)境氣候舒適度評價的準(zhǔn)確性[6]。

GIS技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用解決了以往人居環(huán)境氣候舒適度評價的問題，可以實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)以及周邊的人居環(huán)境氣候舒適度評價，并對寧城縣的氣溫、濕度、風(fēng)速、舒適度進(jìn)行數(shù)據(jù)化和專業(yè)化的分析，提高人居環(huán)境氣候舒適度評價的準(zhǔn)確度，也能增加人居環(huán)境氣候舒適度評價的效率，達(dá)到人居環(huán)境氣候舒適度評價的最終目的。

4.2.1 氣溫數(shù)據(jù)的分析 對寧城縣氣溫數(shù)據(jù)的分析需以寧城縣轄區(qū)內(nèi)的氣象站為主，根據(jù)寧城縣氣象站CIMISS系統(tǒng)來查找氣溫數(shù)據(jù)變化，并以月為單位制定寧城縣各地區(qū)的氣溫變化，根據(jù)氣溫變化的范圍和強(qiáng)度來制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖。氣制定溫數(shù)據(jù)圖可以很好地觀察寧城縣各地區(qū)在某一月份的氣溫變化，也能根據(jù)其氣溫的變化來進(jìn)行人居環(huán)境氣候舒適度評價，這樣的人居環(huán)境氣候舒適度評價是比較合理且準(zhǔn)確的，寧城縣西部大部地區(qū)氣溫較低，中部及東部分氣溫較高（圖1）。

圖1 2021年寧城縣平均氣溫分布圖

4.2.2 空氣相對濕度的分析 寧城縣的各地區(qū)空氣相對濕度的分析，需要綜合考慮其海拔和降水概率，把已知的空氣相關(guān)濕度數(shù)據(jù)添加在GIS技術(shù)平臺中，由平臺來提取出其中有用的信息來建立空氣相關(guān)濕度的數(shù)據(jù)模型[7]。從整體上看，寧城縣西部相對濕度較高，向東方向遞減，但從局部看，并不完全符合這個規(guī)律。中部海拔較高的一些地區(qū)，對于寧城縣空氣相關(guān)濕度的變化沒有太大的影響，其空氣相關(guān)濕度的變化較小（圖2）。根據(jù)空氣相對濕度進(jìn)行人居環(huán)境氣候舒適度評價，可提高人居環(huán)境氣候舒適度評價的可行性。

圖2 2021年寧城縣平均相對濕度分布圖

4.2.3 風(fēng)速數(shù)據(jù)的分析風(fēng)速數(shù)據(jù)需要針對其站點的高度和不同天氣的風(fēng)向來進(jìn)行綜合性的分析，通過GIS技術(shù)來對寧城縣的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行人居環(huán)境氣候舒適度評價。寧城縣的平均風(fēng)速規(guī)律：西部偏小，東部偏大，局部風(fēng)速特征不明顯，風(fēng)向的變化特征不明顯。

4.2.4 不舒適指數(shù)的計算人居環(huán)境氣候舒適度評價中，對于不舒適度的計算需要根據(jù)各個月份的數(shù)據(jù)變化來進(jìn)行，溫度較低的地區(qū)不舒適指數(shù)較高，溫度較高的地區(qū)不舒適指數(shù)也比較高[8]。由此可見，寧城縣西部地區(qū)的氣溫偏低，不舒適的指數(shù)比較高；而東部地區(qū)溫度稍高于舒適溫度，而中部一些地區(qū)由于海拔比東部較高，這樣的地區(qū)比較適合人類進(jìn)行居住，所以不舒適的指數(shù)就比較低?？傮w來看，寧城縣的不舒適指數(shù)比較低，大部分地區(qū)都比較適合居住。

4.2.5 氣候舒適度的綜合評價采用GIS技術(shù)，對寧城縣進(jìn)行人居環(huán)境氣候舒適度的評價，其大部分地區(qū)氣候的舒適度比較高，比較適合人類進(jìn)行居住。只有一小部分地區(qū)的氣候舒適度較低，通過人居環(huán)境氣候舒適度評價的綜合分析表明，寧城縣的氣候舒適度比較高。

5 結(jié)束語

氣溫數(shù)據(jù)分析、空氣相對濕度分析、風(fēng)速數(shù)據(jù)分析、不舒適指數(shù)的計算、氣候舒適度綜合評價等都是基于GIS的人居環(huán)境氣候舒適度評價的重要組成部分，通過對這些指標(biāo)進(jìn)行分析，可以更好地了解一個地區(qū)人居環(huán)境氣候的舒適度，提高了人居環(huán)境氣候舒適度的評價效率和準(zhǔn)確度。另外，利用GIS技術(shù)也能在一定程度上減少人居環(huán)境氣候舒適度評價的問題，緩解了評價人員的工作壓力。