哈爾濱市郊八月不同下墊面人體舒適度指數日變化特征

玄明君，王鼎震，孫彥坤

（東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030）

近年來城市人口增多，城市化進程加快，“熱島效應”[1-3]越來越明顯，造成城市整體溫度或局部溫度高于周圍地區；熱島效應在夏季表現尤為明顯，已經嚴重影響到人們正常的工作和生活，為了幫助人們應對熱島效應，國內外眾多學者提出人體舒適度指數模型以研究人體對外界的感受，根據不同等級來表明舒適程度。

本文應用美國國家氣象局夏季舒適度及工作時數預報的溫濕指數模型，觀測三種不同下墊面的氣溫、空氣相對濕度、太陽輻射的數值，進行模型運算求得人體舒適度指數，最后通過SPSS因子分析，確定三個氣候指標對人體舒適度指數的貢獻程度。

1 材料與方法

1.1 儀器

阿斯曼通風干濕溫度計（9個）、WatchDog Weather Station小型便攜自動氣象觀測站（900ET）（3臺）、GPS全球定位儀。

1.2 觀測時間

時間為2009年8月，選擇晴朗天氣進行觀測；從早8∶00到晚18∶00，每隔1 h進行一次觀測。

1.3 觀測地點

地點選擇位于哈爾濱市東部郊區的東北農業大學校園，常年風向:西南風，平均風速為:8.56 km·h-1。三個下墊面及觀測點位置:曠地，研究生樓西南側，N45°44.663′，E126°43.222′；林地，教學樓東北側,N45°44.646′，E126°43.292；草地，主樓后側，N45°44.163′，E126°43.174′。

1.4 研究方法

人體舒適度的研究以氣候指標為基礎，如氣溫、空氣相對濕度、太陽輻射、降水、風速等，跟據本文研究的需要，選取三項:氣溫、空氣相對濕度、太陽輻射。采用美國國家氣象局夏季舒適度及工作時數預報的溫濕指數（Thermal humidity index）[2]作為哈爾濱市郊八月份不同下墊面人體舒適度的評價指數，計算公式如下:

式中，THI為溫濕指數，在本文中作為人體舒適度的評價指數；T為實測氣溫（℃）；RH為實測空氣相對濕度。計算出的THI數值，按照表1進行對照，可獲得人們對外界的感受。

1.5 數據處理

2009年哈爾濱市郊八月晴朗天數為16 d，由于16 d的數據量比較大，將16 d不同下墊面氣候指標求平均值，得到一天不同下墊面氣候指標整點時刻平均值，如表2所示。

通過溫濕指數模型運算，得到一天不同下墊面人體舒適度指數整點時刻平均值，如表3所示。

表1 人體舒適度指數與人體舒適度的劃分標準Table1 THI and the standard of human comfort

表2 不同下墊面氣候指標整點時刻平均值Table2 Hour mean value of climate indicators in different underlying surfaces

表3 不同下墊面人體舒適度指數整點時刻平均值Table3 Mean value of THI in different underlying surfaces

2 結果與分析

2.1 人體舒適度指數隨氣溫的日變化

曠地、草地、林地三種下墊面的THI隨溫度升高而升高，降低而降低；如圖1所示，曠地和草地14∶00達到最高溫度均為30.33℃，林地溫度始終低于曠地和草地，最高溫度為28℃，相對曠地和草地推遲1 h，與曠地的最大溫差:2.66℃；14∶00時，THI值為:25.14（曠地）、25.4（草地）、23.42（林地），對照表1，只有林地處于較舒適狀態，而曠地和草地均為不舒適狀態。18∶00曠地和草地THI接近較舒適狀態，林地仍處于較舒適狀態。

2.2 人體舒適度指數隨空氣相對濕度的日變化

THI隨空氣相對濕度降低而升高，升高而降低。如圖2所示，14∶00空氣相對濕度達到最低，曠地和草地THI為:25.14、25.49，均為不舒適；曠地、草地、林地三種下墊面日平均空氣相對濕度:0.53、0.56、0.54；草地最大，曠地最低。空氣相對濕度過高會讓人感到潮濕，過低讓會人感到干燥，故此，林地的空氣相對濕度恰好能使人們感到舒適。

2.2 人體舒適度指數隨太陽輻射的日變化

THI隨太陽輻射先升高后降低，如圖3所示，太陽輻射在12∶00達最高值，THI沒有達到最大值，這與氣溫和空氣相對濕度不同，THI最大值沒有出現在氣溫和空氣相對濕度極值時刻；曠地、草地、林地日平均輻射值為565、574、79 w·m-2，林地最低，枝葉通過遮擋陽光降低太陽輻射能，保持林地THI數值處于舒適的范圍。

圖1 人體舒適度指數隨溫度的日變化Fig.1 Day changes of THI in temperature

圖2 人體舒適度指數隨空氣相對濕度的日變化Fig.2 Day changes of THI in air relative humidity

圖3 人體舒適度指數隨太陽輻射的日變化Fig.3 Day changes of THI in solar

2.3 不同下墊面人體舒適時間分析

按表1美國國家氣象局劃分標準，當21.1＜THI＜23.8時，人體對外界的感覺是較舒適的；當THI＜21.1時，人體對外界的感受是最舒適的。曠地，草地，林地三種下墊面在8∶00～18∶00的THI平均值分別為:24.21、24.09、23.21，林地THI小于23.8，曠地和草地THI均大于23.8；說明地林比較舒適，曠地在9∶00前和18∶00后較舒適；草地在9∶00前和17∶00后較舒適；圖1-3中所標，8∶00-18∶00舒適時間:林地（11 h）＞草地（2 h）＞曠地（1 h）。

2.4 氣候指標對人體舒適度的貢獻度分析

氣候指標的貢獻度分析，采用SPSS因子分析法[11]。進行因子分析首先考察各因子間是否存在線性關系，是否可以采用因子分析，生成三個因子的相關性系數矩陣，如表4所示，總體相關性比較好，有較好的線性關系，可以進行因子分析。

表4 因子的相關系數矩陣Table4 Correlationmatrix(a)

根據因子的相關系數矩陣，采取主成分分析法提取各因子的特征值，如表5所示。

特征根值用來反應對THI的解釋程度，變量總方差表示因子占有THI的信息量；如表5所示，THI的解釋程度:氣溫（1.959）＞空氣相對濕度（1.041）＞輻射（0.26）；信息含量:氣溫（65.316%）＞空氣相對濕度（33.776%）＞輻射（0.908%）。以特征根值和因子序號為坐標軸生成變量的碎石圖，如圖4所示，隨著序號變大，特征根值變小，各因子對THI的作用，就像“高山腳下的碎石”，越來越小。綜合特征根值和變量總方差數值的比較，三個因子對THI的貢獻程度:氣溫＞空氣相對濕度＞輻射。

表5 因子解釋人體舒適度方差Table5 Total Variance Explained with THI

圖4 因子的碎石Fig.4 Rubble of factors

3 討論

哈爾濱市郊八月不同下墊面人體舒適度指數日變化特征的研究，主要針對城市熱島效應和對相應天氣狀況提供舒適度參考，從而做出調整，使人們的工作更加有效率；本研究區域是市郊，范圍比較小，服務對象為人類，如果研究區域進一步擴大，可進行大區域的人體舒適度指數研究，若更換以動植物為服務對象，可為動植物的保護提供一些幫助，為研究區域氣候的人員提供新的研究方向；由于能力有限，本研究只采用三個影響因子，而忽略了風速、氣壓等因子，若將這些忽略因子加入到舒適度模型中，會大大提高模型的可用度，因此這些都是困擾眾多研究人員的問題，如果這些問題能夠得到很好的解決，并計算出一個新的模型，盡而更好的為人們服務。

4 結論

通過以氣溫、空氣相對濕度、輻射三個小氣候指標作為研究人體舒適度指數的基礎指標，運用溫濕指數分析模型，分析THI隨三種氣候指標在不同下墊面的日變化特征以及通過SPSS因子分析確定各指標對人體舒適指數的貢獻度。

a.THI日平均值:曠地（24.21）＞草地（24.09）＞林地（23.21）；舒適時間長度:林地（11 h）＞草地（2 h）＞曠地（1 h）；舒適度關系:林地＞草地＞曠地。

b.因子分析:THI的解釋程度:氣溫（1.959）＞空氣相對濕度（1.041）＞輻射（0.26）；THI信息含量:氣溫（65.316%）＞空氣相對濕度（33.776%）＞輻射（0.908%）。

c.各因子對人體舒適度指數的貢獻度:氣溫＞空氣相對濕度＞輻射。

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