近60 年柳州市人居氣候舒適度評價及變化趨勢

黃 維，劉永裕，蔣麗媛，裔傳祥，吳炫柯

（1.柳州市農業氣象試驗站，廣西 柳州 545000；2.柳州市潭中人民醫院，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，近100年內，全球平均溫度已升高0.85 ℃，近60 年上升尤其明顯［1，2］。此外，日照時數呈總體減少趨勢，夏季下降幅度最大，秋、冬季次之，春季最小［3］。氣候條件是構成人類居住環境舒適度的重要因子之一，氣候變化勢必會對人類居住環境產生一系列影響。特別是隨著當今社會的快速發展，人們對城市居住環境的要求進一步提高，城市人居氣候舒適度已經成為生態城市研究領域的熱點。近年來，眾多學者采用綜合舒適度、溫濕指數和風效指數等指標，對各地氣候舒適度開展一系列卓有價值研究，為科學指導旅游出行、客觀評價城市人居環境等提供了重要的科學參考［4-16］。

柳州市地處桂中北部，屬中亞熱帶季風氣候，7月和8 月平均溫度最高，1 月和2 月平均溫度最低，年總日照時數為1 250～1 570 h［17］。柳州市不僅是廣西壯族自治區（以下簡稱廣西）最大的工業基地，還是重要的旅游勝地。該市集中了廣西80%以上的4A 級旅游風景區，市區擁有百里柳江、蓮花山自然保護區、三門江國家森林公園等自然景區，自然環境優越。目前，關于柳州市氣候人居氣候舒適度的研究鮮有報道。因此，本研究以溫濕指數和風效指數作為評價指標，采用 GB/T 27963—2011 標準［18］，分析人居環境氣候舒適度的變化特征，旨在為柳州市人居環境的評價、生態宜居城市建設以及旅游資源的開發等提供科學參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源

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，數據主要包括平均氣溫、相對濕度、風速和日照時數。

1.2 研究方法

根據GB/T 27963—2011 標準，選取溫濕指數和風效指數作為人居環境舒適度評價指標，對于月人居氣候舒適度評價，當溫濕指數和風效指數不一致時，冬半年（10 月至次年3 月）以風效指數為主指標，夏半年（4—9 月）以溫濕指數為主指標。溫濕指數和風效指數的計算公式如下。

式中，I為溫濕指數，K為風效指數，T為評價時段平均氣溫（℃），RH為評價時段平均相對濕度（%），v為評價時段平均風速（m/s），S為評價時段平均日照時數（h）。根據GB/T 27963—2011，將溫濕指數和風效指數劃分為5 個等級，如表1 所示。

表1 人居氣候舒適度等級劃分

1.3 趨勢分析

采用線性趨勢分析法，分析溫濕指數和風效指數時間變化趨勢，公式如下。

式中，xt為溫濕指數和風效指數的擬合值。a0為變量初始值，a1為趨勢系數，t為時間。a1正值表示x隨時間t呈增加趨勢，反之呈減少趨勢。

1.4 小波分析

選擇Morlet 復數小波分析溫濕指數和風效指數的時序周期變化特征，該小波是Gauss 包絡下的單頻率復正弦函數，在時域和頻域內具有較好的局部聚集性［19，20］。Morlet復數小波函數如下。

式中，ψ(t)為小波函數，i為復數單位，e 為指數函數的底，t為自變量，ω0為無量綱頻率，其值取6［21］。對于時間序列xb*（b*= 0，1，2，…，N-1，N為時間序列的長度），其小波變換如下。

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

2 結果與分析

2.1 人居氣候舒適度月評價及變化趨勢

計算1961—2020 年1—12 月溫濕指數和風效指數的平均值，結果如表2 所示。可以看出，溫濕指數范圍在11.0～27.0，1—12 月的溫濕指數呈現先增后減的變化趨勢，最小值出現在1 月，最大值出現在7月，根據等級劃分標準，1、2 月和12 月溫濕指數評價為寒冷，3 月溫濕指數評價為冷，4、5、9—11 月溫濕指數評價為舒適，6—8 月溫濕指數評價為熱。風效指數范圍在-468.2～-32.7，1—12 月的風效指數呈現先增后減的變化趨勢，最小值出現在1 月，最大值出現在 7 月和 8 月，根據等級劃分標準，1、2 月和 12 月風效指數評價為寒冷，3 月風效指數評價為冷，4、5、10、11 月風效指數評價為舒適，6—9 月風效指數評價為熱。從上述分析可知，除了9 月溫濕指數和風效指數評價不一致外，其他月份溫濕指數和風效指數評價均一致。根據標準，當溫濕指數和風效指數不一致時，夏半年（4—9 月）使用溫濕指數，因此9 月最終評價為舒適。

表2 1—12 月人居氣候舒適度評價

1—12 月溫濕指數和風效指數年變化趨勢分析見表3。可以看出，7 月溫濕指數回歸系數小于0，其他月份回歸系數均大于0，但僅有6 月和11 月的回歸系數通過 0.05 顯著水平檢驗；1、5、6、7、8、9 月和12 月風效指數回歸系數小于 0，2、3、4、10 月和 11 月大于0，但僅有10 月回歸系數通過0.05 顯著水平檢驗。總的來說，月溫濕指數和風效指數的年際變化趨勢不顯著。

表3 1—12 月溫濕指數和月風效指數的年際變化趨勢分析

2.2 人居氣候舒適度年評價及變化趨勢

溫濕指數和風效指數年際變化規律如圖1 所示。年溫濕指數（圖1a）范圍在19.02～20.81，最小值出現在1984 年，最大值出現在2016 年，整體呈上升趨勢，回歸系數為0.32，通過0.01 顯著性水平檢驗，根據等級劃分標準，1961—2020 年均處于舒適范圍內。風效指數（圖1b）范圍在-312.35～-198.61，最小值出現在2020 年，最大值出現在2009 年，整體變化趨勢不明顯，根據等級劃分標準，1961—2017 年處于舒適范圍內，2018—2020 年處于冷范圍內。值得注意的是，溫濕指數和風效指數2018—2020 年連續3 年走低，這主要與2018 年柳州國家基本氣象站的搬遷有關。

圖1 溫濕指數和風效指數的年際變化趨勢

年溫濕指數和年風效指數的小波分析如圖2 所示。可以看出，溫濕指數（圖2a）在4 年和8 年尺度的周期變化，4 年尺度主要發生在1984—1990 年，8年尺度主要發生在2009 年以后，且能量較強，但大部分在影響曲線之外。風效指數（圖2b）在8 年尺度的周期變化，主要發生在2013—2020 年，但該尺度在影響錐形曲線之外，因此風效指數未表現明顯的周期變化規律。

圖2 溫濕指數和風效指數連續小波功率譜

3 小結與討論

柳州月人居氣候舒適度評價結果表明，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 月溫濕指數和風效指數的年際變化趨勢不明顯，舒適月份較為穩定，每年4、5 月和9—11 月則較適合生活起居和出行旅游。近60 年溫濕指數均處于舒適范圍內，呈顯著上升趨勢，存在4年和8 年尺度的周期變化，4 年尺度主要發生在1984—1990 年，8 年尺度主要發生在2009 年以后，且能量較強。風效指數在1961—2017 年處于舒適范圍，2018—2020 年處于冷范圍，但未表現出明顯的變化趨勢和周期變化規律。2018—2020 年溫濕指數和風效指數偏低，這主要與2018 年柳州國家基本觀測站搬遷有關，新址海拔為306.0 m，比舊址96.8 m 高出209.2 m，溫度、風速、日照和相對濕度會有顯著差異，為更貼近人居的地面環境情況，之后研究需對2018 年后氣象數據進行換算。

本研究采用的是GB/T 27963—2011 標準劃分人居氣候舒適度。研究表明，在長期的人地關系演化中，人體對氣候環境形成了鮮明的地域性適應，例如長期居住在熱帶地區的人群要比中緯度地區的人群具有更強的耐熱性［22］。因此，在氣候舒適度評價中，體感分級標準的制定需要“因地制宜”，不能簡單地移植套用。后續研究應根據柳州當地實際情況，開展人群抽樣的情景試驗或自然調查，對標準進行本地化，進而獲得一個更貼近實際的本地化人居氣候舒適度劃分標準。