遼寧省氣候舒適度變化及其對氣象因子的響應

曹永強，趙 慧，李可欣，楊雪婷，周姝含

(遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029)

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

自20世紀中葉以來，國內外的研究學者們陸續(xù)開始進行有關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系。1947年有學者提出實感氣溫的概念，其是根據(jù)熱感覺指標，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和溫濕指數(shù)并用于人體舒適度預測工作。俄羅斯學者[12]研究調查了俄羅斯天氣和氣候舒適度的變化進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)學研究所RAS的氣候模型進行計算，研究結果表明大陸性氣候強烈的地區(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)減少的風險。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。總體來說，中國對人體舒適度的研究起步較晚。但近20年，國內在研究方法和研究手段方面取得很大的進步，李山等[14]利用溫濕指數(shù)和風效指數(shù)分析了氣候舒適期的空間格局及其季節(jié)性特點；曹永強等[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)域進行劃分。

東北地區(qū)有關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標準。朱保美等[17]采用氣候統(tǒng)計方法和氣候舒適度評價模型，對比分析沿海和內陸城市各氣候要素之間及氣候舒適度的差異。蔚丹丹等[18]認為氣候舒適度對人類活動和人居環(huán)境都影響深遠，相關的評價模型/指數(shù)在建筑、城劃、旅游和人體健康發(fā)展等領域應用廣泛。李源等[19]依據(jù)人的表皮散熱方式、代表人類機體對氣候環(huán)境的感受具體提出了一個計算人體舒適度指數(shù)的方案。該方案綜合考慮了風速、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中取得了良好的應用效果。余志康等[20]以40°N以北的某些城市為研究目標，對北方城市氣候舒適度以及旅游潛力等做出定量評價；馮定原等[21]根據(jù)Steadman[22]的感熱溫度理論，從各個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，并分析了時空演變規(guī)律；嚴明良等[23]提出關于環(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]認為生物氣溫指標的不同表示都來自十多種人體舒適度預測公式，并且它們之間存在差異性以及對適用性進行探討。任學慧等[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，預計這些地區(qū)氣候舒適度有升高趨勢。綜合以往研究來看，眾多學者探討氣候舒適度時，方向主要著重于氣候對旅游資源的影響和基于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)展具有指導性作用，同時對人體舒適度進行研究還可以促進城市天氣預報的發(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，人們的生活質量越來越好，與此同時對城市氣候和氣象服務的要求也越來越高，在城市氣象服務中，人體舒適度占據(jù)著一個舉足輕重的地位，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，因此有必要對遼寧省氣候舒適度進行研究。

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、天氣預報的準確預測等作用，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、風速和相對濕度3個氣象因子運用人體舒適度公式進行計算得出舒適度指數(shù)，再依據(jù)不同等級標準，統(tǒng)計出四季舒適度指數(shù)和舒適度日數(shù)的關系規(guī)律，進一步分析遼寧省人體舒適度對氣象因子的響應。

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%，年均風速為2.96 m/s，年日照總時數(shù)達到2 585 h。主要氣候類型為溫帶大陸性季風氣候，氣候特征為四季分明，春秋兩季持續(xù)時間相對較短，冬季持續(xù)時間較長，夏季高溫多雨。雨熱同期，但降水量時空分布不均，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、日平均風速以及日平均相對濕度，見圖1。根據(jù)遼寧省氣候特點，選取四季的標準按照：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準，統(tǒng)計4個季度的舒適日頻率。

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、相對濕度和風速等，運用一定公式計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、風速和相對濕度這3個因素對人體舒適感知影響最大，根據(jù)這3個氣象要素計算得出的非線性方程就是人體舒適度指數(shù)。運用Excel計算相關系數(shù)，對氣溫、濕度和風速進行定量分析影響氣候舒適度的主要因子及其變動的相關程度。

采用國內近年來比較流行的人體舒適度指數(shù)(Comfort Index of Human Body，CIHB)[26]，在計算CIHB時，綜合考慮氣溫、濕度和風速對人體舒適度指數(shù)影響，根據(jù)地區(qū)特點，這里采用適合北方地區(qū)的計算公式，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 結果與分析

2.1 遼寧省氣候變化特征分析

選用1964—2018年23個氣象站點的氣溫、風速、相對濕度等數(shù)據(jù)進行研究分析，運用相關性分析、距平分析、氣候傾向率、5年滑動平均等計算方法，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值，呈波動上升趨勢，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年滑動平均明顯波動有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世紀中期開始記錄溫度開展以來，20世紀90年代是溫度最高的10年。

2.1.2風速分析

遼寧省近55年的風速變化特征見圖3，遼寧省的風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，風速相對較大；1986年以后距平值大體上負數(shù)，在1964—2005年5年滑動趨勢下降明顯，2005年以后風速逐漸增大；5年滑動平均曲線在2005年出現(xiàn)低谷，波峰出現(xiàn)在2014年，在1987—2005年風速變化經(jīng)歷了“減小→增大”的過程。

圖3 遼寧省1964—2018年風速變化特征

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)一個連續(xù)波動且逐漸降低的趨勢，相對濕度的氣候傾向率為-0.29 %/10a。在55年數(shù)據(jù)中，正距平與負距平的情況不定時交叉出現(xiàn)，且狀態(tài)不穩(wěn)定。5年滑動平均曲線有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)進行統(tǒng)計分析，見圖5，人體舒適度指數(shù)的年平均值處于42～48。依據(jù)人體舒適度分級標準可知，年均人體舒適度指數(shù)在此區(qū)間內人的感受為不太舒適，很涼。遼寧省四季分明，是典型的溫帶季風氣候。在4個季節(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，此轉變時間點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[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)分析結果顯示，CIHB和舒適日數(shù)變化特點在季節(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，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，這是因為在中國東部及遼東半島地區(qū)的氣溫在6月份時候受到海洋的影響較強[29]，相對內陸地區(qū)而言氣溫升高較緩慢，同時在適當?shù)娘L速、相對濕度和日照時數(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?shù)匕才怕糜瓮獬鲇媱潱绕涫窃谘睾５貐^(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年各個站點的舒適日數(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，這是因為遼寧西北部地區(qū)與內蒙古自治區(qū)相鄰，會受到內蒙古地區(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，受到海面季風的影響，屬于溫帶季風氣候，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

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個氣象因子與CIHB之間的關系可以說明，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關系，相關系數(shù)達0.873 9(通過置信0.01檢驗，圖8)。風速與相對適度與人體舒適度呈負相關關系，相關系數(shù)分別為-0.663 7(通過置信0.01檢驗，圖9)和-0.440 5(通過置信0.01檢驗，圖10)。風速與CIHB的相關性顯著，相對濕度與CIHB的相關性較為顯著。氣溫的影響系數(shù)最大，達到0.873 9，說明氣溫對人體舒適度的正影響最大。風速相對濕度的影響系數(shù)為負值，說明風速和相對濕度對人體舒適度產(chǎn)生負影響。因此，3個影響因子中，氣溫直接影響人體舒適度，且為正作用；風速和相對濕度影響小且為負作用，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)與溫度的線性關系

圖9 人體舒適度指數(shù)與風速的線性關系

圖10 人體舒適度指數(shù)與相對濕度的線性關系

綜上所述，3個氣象因子的相關關系程度為氣溫>風速>相對濕度。氣溫對人體舒適度指數(shù)的影響最大，且呈正相關關系，相對濕度與風速的變化同樣也影響人體舒適度，與人體舒適度呈負相關關系，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、風速和相對濕度進行分析。氣象因子的變化是導致人體舒適度變化的根本原因，氣溫、風速以及相對濕度對人體舒適度均有影響。氣溫和風速2個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]的研究結論基本一致。但與南方這幾個省市舒適期長短不一致，導致差異的原因是南寧、浙江、重慶這幾個省市在地理區(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 結論

a)55年來遼寧存在氣溫增暖、風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)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)遼寧平均年舒適日數(shù)可達7～8個月；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，此時全省全年舒適日多，多數(shù)符合人體舒適度的標準。

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)相關性最為密切的氣象因子是氣溫，與風速和相對濕度呈現(xiàn)出負相關的關系。