1966-2019年海南人居環境氣候舒適度時空分布及變化特征

張明潔，張京紅，張亞杰，李文韜，楊 靜

(1.海南省氣候中心，?？?570203；2.南海氣象防災減災重點實驗室,?？?570203；3.海南省氣象探測中心，海口 570203)

引 言

氣候條件對人體的體溫、新陳代謝功能、神經功能、心血管功能和免疫功能等具有調節作用[1]。當氣候條件的變化超過人體代償能力時,會使機體代償能力失調，誘發天氣敏感性疾病，嚴重時危害生命[2]。適宜的氣候條件能夠消除人的疲勞，使體力和精力得到較快恢復，甚至對一些疾病達到緩解和治療的效果[3]。隨著社會生產力的發展和人們康養意識的提高，在選擇康體和度假地時，氣候條件往往成為首要的考慮因素，現代療養醫學也越發重視氣候在療養中的作用。

一些表征氣候對人體體感影響的舒適度指數就是結合多種與人體相關性較高的氣象要素而設計的，通過研究其時空變化來評估對人體的影響，可以較好地反映人體對周圍環境的適應情況和氣候條件對人體的影響。國外關于氣候條件對人體舒適感影響的研究可追溯到20世紀20年代，經歷了有效溫度[4-5]、凈有效溫度[6]、溫濕指數[7]、風寒指數[8]、風效指數[9]、舒適度指數[9]、通用熱氣候指數[10-12]等的不斷發展和完善。我國在20世紀80年代開始進行相關研究，以借鑒國外模型或構建組合分析模型為主，在氣候舒適度、旅游氣候適宜性等方面進行了定量評價[13-15]。宋丹等[16]以體感溫度為基礎，建立綜合避暑旅游氣象適宜度評價模型，分析了貴州省縣級以上城市的避暑旅游適宜性。嚴霜等[17]利用溫濕指數對四川省旅游氣候舒適度進行評價?？讱J欽[18]、楊俊[19]等采用通用熱氣候指數(UTCI)分別對全國和全國的避暑旅游資源的氣候舒適度時空變化進行了分析評價。余志康[20]、孟麗霞[21]、陶生才[22]、曹云[23]等利用溫濕指數、風寒指數、著衣指數分別分析評價了40°N以北城市夏季、蘭州市、敦煌和京津冀地區的氣候舒適度。從國內外關于氣候舒適度研究現狀看，研究大多采用上述指數或模型等進行氣候舒適度的計算分析，但方法并不統一，考慮的方面和側重點不盡相同。吳普[24]、劉少軍[25]等從旅游角度對海南氣候舒適度進行了計算分析，但由于采用的數據是年或月尺度的，因而在分析氣候條件對人體體感影響和健康療養作用時的精準度會大大降低。范業正[3]、孔欽欽[26]等僅分析了?？诤腿齺喌臍夂蚴孢m度，未能在空間上對海南全島氣候舒適度進行分析。

海南地處熱帶北緣，氣候條件優越。2019年1月11日印發的《海南省健康產業發展規劃(2019-2025年)》中提出：到2025年，把海南初步建成領先的智慧健康生態島和全球重要的健康旅游目的地。智慧健康生態島和健康旅游目的地的建設離不開適宜的氣候條件，因此，本文依據《人居環境氣候舒適度評價》(GB/T 27963-2011)[27]評估分析海南氣候舒適度的時空分布和變化特征，以期為大力發展基于氣候治療的康養醫療、推進氣象為海南省大健康產業發展服務提供理論和技術支撐，以及為人們選擇康養和度假的時間地點提供參考。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

本研究采用的資料是1966-2019年海南省(除三沙市外)18個氣象站的日平均觀測資料，包括日平均氣溫、日平均風速、日平均相對濕度和日日照時數，并對出現遷站(例如三亞國家基本氣象站)的站點資料進行了時間一致性和空間一致性等質量控制，以保證所用資料的連續性和準確性。

1.2 研究方法

首先，根據國標《人居環境氣候舒適度評價》(GB/T 27963-2011)計算海南18個國家氣象觀測站1966-2019年逐日的溫濕指數I和風效指數K。

逐日舒適度根據國標的規定,劃分為寒冷、冷、舒適、熱和悶熱5個等級。當兩種指數不一致時，冬半年(11月-次年4月)使用風效指數；夏半年(5-10月)使用溫濕指數。評價時段平均風速>3 m/s的地區使用風效指數。

然后，采用線性回歸、滑動平均、Mann-Kendall突變檢驗等方法,分析海南省人居環境氣候舒適度各等級日數的時空分布和變化特征；采用通徑分析、M-K突變檢驗探討舒適度各等級日數時空分布和變化原因。最后，在對海南省1-12月各臺站舒適日數分布的研究基礎上，制定海南省人居環境氣候舒適月標準:當某個月份中等級為舒適的日數>20天時，該月為非常舒適月；舒適日數為10～20天時，該月為舒適月；當舒適日數≤10天時，該月為不舒適月。依據此標準,分析舒適月的時空分布特征。

2 人居環境氣候舒適度的時空分布

2.1 不同舒適度等級日數多年平均值的時空分布特征

2.1.1 不同舒適度等級日數的時間分布

表1給出了海南人居環境氣候舒適度不同等級日數的月平均值和年平均值。從表1中可以看出，舒適與熱等級是海南省人均環境氣候舒適度的主要特征，分別占47.6%和31.9%。其中，舒適等級主要出現在11月-次年3月；熱等級多出現在5-9月,4月和10月為過渡月份。寒冷等級日數最少，只占3.5%，出現在12月-次年2月；冷日數和悶熱日數分別占全年的7.4%和9.7%。

表1 1966-2019年海南人居環境氣候舒適度不同等級日數平均值的分布

2.1.2 不同舒適度等級日數的空間分布

由不同舒適度等級日數的空間分布(圖1)可見，寒冷日數分布基本上是由北向南遞減的，北部的海口、臨高、儋州和東方寒冷日數多年平均值多于20天，南部地區和中部的瓊中寒冷日數少于5天，其余大部分地區的為5～15天。冷日數分布也遵循由北向南遞減的規律，北部地區的>30天，南部地區的<15天。舒適日數中部地區的最多(>180天)，其中五指山的高達247天，其他地區除?？诤蜄|方外，大部分舒適日數>150天。熱日數南部的(>120天)多于北部的(90～120天)，其中中部五指山的<90天。悶熱日數分布呈現出中部少、東部和西部沿海部分市縣的多的特點，北部沿海的臨高、澄邁，東南沿海的瓊海、萬寧，西北的昌江、東方及南部的三亞悶熱日數>40天，五指山的僅2.9天。吳普等[24]采用特吉旺舒適度指數分析海南氣候舒適度發現，11月-次年3月海南大部分地區的氣候舒適度為舒適或暖等級，只有個別市縣的為涼等級，4-10月，大部分為悶熱等級，但中部地區的悶熱日數遠少于其他沿海市縣的。劉少軍等在文獻[25]通過對表征海南旅游氣候舒適度的旅游氣候指數的計算分析發現，在時間上，11月-次年4月海南島旅游氣候舒適度水平較高，達到很好和優良水平，這與本文11月-次年3月海南人居環境氣候舒適度以舒適等級為主的結論一致。文獻[25]中還發現5-10月氣候舒適水平降低，大部分處在舒適與不舒適的邊界水平，這與本文5-9月氣候舒適度以熱等級為主、4月和10月為過渡月份的分析結論吻合。在空間分布上，文獻[25]認為中部的五指山在5-10月氣候舒適水平高于其他地區的，這也與本文五指山舒適等級日數多于其他地區的結論相一致。

圖1 1966-2019年海南不同舒適度等級日數的空間分布

2.2 不同舒適度等級日數的時間變化特征

由不同舒適度等級日數的年際變化(圖2)可見，1966-2019年寒冷日數和冷日數呈現出波動中減少的趨勢，氣候傾向率分別為-2.2天/10a和-2.0天/10a，通過了0.05的顯著性檢驗。通過突變檢驗(圖3)也發現，寒冷日數與冷日數均在20世紀60年代-70年代中期呈現出波動中微弱增加趨勢，70年代末期開始呈微弱的減少趨勢。不同的是寒冷日數在1979年前后出現突變，1988年以后減少趨勢顯著(超過0.05臨界線)；冷日數在1988年前后出現突變，1998年開始減少趨勢顯著(超過0.05臨界線)。舒適日數多年平均值在148～200天的范圍內波動，有微弱的減少趨勢(-1.9天/10a)，但未通過顯著性檢驗。熱日數和悶熱日數呈增加趨勢，氣候傾向率分別為1.8天/10a、4.3天/10a，通過了0.05的顯著性檢驗。突變檢驗也發現，熱日數在1974年左右發生突變后繼續在波動中微弱增加，1987-2010年增加趨勢顯著。悶熱日數呈增加趨勢，在1987年前后突變，1990年開始增加趨勢顯著。

圖2 1966-2019年海南不同舒適度等級日數的年際變化

從各等級日數距平值的年代際變化也可看到(圖4),寒冷日數、冷日數在20世紀80年代、90年代由正距平轉為負距平；舒適日數在80年代和21世紀10年代為負距平，其余年代的為正距平；熱日數和悶熱日數分別在80年代和90年代由負距平轉為正距平。

圖4 1966-2019年海南不同舒適度等級日數距平值的年代際變化

綜上，海南人居環境舒適度偏冷的日數在減少，偏熱的舒適度日數在增加，且偏熱舒適度日數的增加趨勢比偏冷的減少趨勢要明顯。舒適等級的日數有在波動中微弱減少的趨勢,但未通過顯著性檢驗。

3 舒適度的影響因子及舒適度各等級日數變化的原因分析

舒適度各等級日數的變化趨勢不同。采用通徑分析方法，分析溫度、風速、日照時數和相對濕度對各等級日數的影響，探討各等級日數變化的原因。其中，舒適日數因不符合正態分布，未進行通徑分析。

計算統計結果(表2)表明，除日照時數外，氣溫、風速、相對濕度都與寒冷日數和冷日數存在顯著的相關關系。氣溫與寒冷日數、冷日數呈負相關，相關系數分別為-0.78、-0.72；風速、相對濕度與寒冷日數(冷日數)呈正相關，相關系數分別為0.55(0.49)、0.45(0.40)。從直接通徑系數看，氣溫與寒冷日數、冷日數的直接通徑系數絕對值最大，均為0.65，說明氣溫對寒冷日數、冷日數的直接影響最大；其次，風速對寒冷日數的直接通徑系數為0.24，說明風速對寒冷日數存在明顯的影響，僅次于氣溫的影響，且間接通徑系數表明風速也通過影響氣溫間接影響寒冷日數和冷日數。相對濕度的直接通徑系數很小，但間接通徑系數表明相對濕度通過影響氣溫間接影響寒冷日數和冷日數。除相對濕度外，氣溫、風速、日照時數都與熱日數存在顯著的相關關系，氣溫、日照時數、風速與熱日數的相關系數分別為0.44、0.23和-0.37。從直接通徑系數看，氣溫、風速和日照時數的直接通徑系數較大，說明氣溫、風速、日照時數均對熱日數直接產生影響。從間接通徑系數看，平均風速通過影響氣溫、相對濕度間接影響熱日數。除日照時數外，氣溫、風速、相對濕度與悶熱日數的相關系數分別為0.65、0.47和-0.46，氣溫對悶熱日數的直接影響最大，風速和相對濕度通過影響氣溫間接影響悶熱日數(以上相關系數均通過0.01或0.05的顯著性檢驗)。由此可見，對海南舒適度各等級日數,尤其是寒冷日數和悶熱日數影響最大的是氣溫，其次是風速和相對濕度，后兩者主要通過影響氣溫間接影響舒適度。

表2 1966-2019年海南平均氣溫、風速、相對濕度、日照時數與不同舒適度等級日數的相關系數和通徑系數

對海南1966-2019年的平均氣溫、風速、日照時數、相對濕度進行線性趨勢分析和突變檢驗(圖略)發現，平均氣溫呈明顯的上升趨勢，并在20世紀80年代前期發生突變，這與寒冷日數、冷日數呈減少趨勢，熱日數、悶熱日數呈增加趨勢相符合，也與寒冷日數、冷日數和悶熱日數的突變時間、熱日數顯著增加的時間點相吻合，進一步說明了氣溫是影響海南各舒適度等級日數變化的最主要因子。平均風速和相對濕度均呈下降趨勢，且發生突變后下降趨勢顯著(分別在1981年和1998年前后發生突變)，這也是寒冷日數和冷日數呈減少趨勢、熱日數和悶熱日數呈增加趨勢的次要影響因子。其中，平均風速和悶熱日數正相關，但其與悶熱日數的直接通徑系數較小且未通過顯著性檢驗，間接通徑系數為-0.27，通過了0.01的顯著性檢驗，說明平均風速是通過影響氣溫間接影響悶熱日數，平均風速越小，氣溫越高，悶熱日數越多。

4 氣候舒適月的時空分布

根據人居氣候環境舒適月的劃分標準，從各月看(圖5、表3)，10月-次年4月，為各市縣的非常舒適月和舒適月，10月是北部和中部地區的非常舒適月；11月是全島的非常舒適月；12月是西南部市縣的非常舒適月，東部和北部市縣的舒適月；1、2月為南部和中部市縣的非常舒適月，也是其余市縣的舒適月，3月份非常舒適月范圍擴大到東部沿海市縣；4月和9月是五指山的非常舒適月，也是其余大部分市縣的舒適月；5-8月，全島舒適日數減少，是中部五指山的舒適月。綜上，冬半年各月包括10月，是海南各市縣的非常舒適月或舒適月，人體感覺舒適，人居環境氣候舒適度條件十分優越;夏半年盡管大部分市縣舒適度有所降低，但中部的五指山地區人居環境氣候舒適度優于其他市縣的，仍然十分優越。

圖5 1966-2019年海南1-12月舒適日數的空間分布

從全年來看(表3)，人居環境氣候舒適度呈現出中部的優于沿海的，南部的優于北部的分布特征。中部的五指山一年中有8個非常舒適月、4個舒適月，人居環境氣候舒適度全島最佳；瓊中一年有6個非常舒適月、2個舒適月，人居環境氣候舒適度全島第二；再次是南部的樂東、三亞、保亭、陵水，非常舒適月有5個、舒適月有2～3個；中部的屯昌、白沙、定安，非常舒適月和舒適月分別為3個和5個。

表3 1966-2019年海南各市縣不同舒適等級的月數 個

5 結論與討論

本文分析了1966-2019年海南省(除三沙市外)人居環境氣候舒適度各等級日數、氣候舒適月的時空分布和變化特征及原因，得到以下結論。

(1)海南省人居環境氣候舒適度以舒適和熱為主，舒適日數和熱日數分別占全年日數的47.6%和31.9%，10月-次年3月各月的舒適日數接近或超過20天。寒冷日數、冷日數和悶熱日數分別占全年的3.5%、7.4%和9.7%。

(2)寒冷日數和冷日數的空間分布均由北向南遞減，寒冷日數北部的>20天，南部的<5天，冷日數北部的>30天，南部的<15天。舒適日數中部地區最多(>180天)，其他地區的為150～180天。熱日數南部的多于北部的，南部地區的>120天，其他地區的為90～120天(五指山的<90天)。悶熱日數分布呈現出中部的少、東部和西部沿海部分市縣的多的特點，中部五指山的為2.9天，北部沿海的臨高、澄邁，東南沿海的瓊海、萬寧，西北的昌江、東方及南部的三亞>40天。

(3)近54年來，寒冷日數和冷日數分別以-2.2天/10a和-2.0天/10a的氣候傾向率在波動中減少，并且分別在20世紀70年代末和80年代末發生突變后，減少趨勢更加顯著；舒適日數在148～200天范圍內波動，有微弱的減少趨勢，但未通過顯著性檢驗；熱日數和悶熱日數分別以1.8天/10a和4.3天/10a的氣候傾向率增加，分別在20世紀70年代中期和80年代末期發生突變，均從90年代開始增加趨勢更加顯著。

(4)在全球氣候變暖背景下，氣溫升高是寒冷日數、冷日數減少和熱日數、悶熱日數增加的主要原因，平均風速和相對濕度下降是次要原因，且平均氣溫和平均風速的突變時間與寒冷日數、冷日數和悶熱日數的突變時間相吻合，與熱日數顯著增加的時間點也相吻合。相對濕度主要通過影響氣溫間接影響各等級舒適度日數的變化。

(5)海南人居環境氣候舒適度全年均較為優越，相對而言，冬半年的優于夏半年的，冬半年各月包括10月是各市縣的非常舒適月或舒適月。在空間上呈現出中部的優于沿海的，南部的優于北部的分布特征。中部的五指山一年中有8個非常舒適月、4個舒適月，人居環境氣候舒適度全島最佳；瓊中人居環境氣候舒適度全島第二；再次是南部的樂東、三亞、保亭、陵水等地的氣候舒適度。因此，海南可在目前全國著名的避寒旅游基礎上，充分發揮氣候優勢，大力發展中部地區的康養旅游、森林生態旅游等特色旅游，使海南真正成為全國少有的冬可避寒、夏可避暑的旅游康養勝地。