1961—2020 年烏魯木齊市氣候舒適度變化

普宗朝，馮志敏，張山清，王命全，張祖蓮，宋雪菲

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆生態氣象和衛星遙感中心，新疆 烏魯木齊 830011；3.新疆興農網信息中心/新疆農業氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；4.新疆教育管理信息中心，新疆 烏魯木齊 830049）

氣候舒適度是評價人類在不同氣候條件下舒適感的一項生物氣象指標[1]，其變化對公眾健康[2]、能源消耗[3]、城市規劃[4]、旅游休閑[5-6]等社會經濟諸多領域有重要影響。因此，近年來有關我國氣候舒適度時空變化的研究引起了越來越多學者的關注。李山等[7]和曹云等[8]對我國內陸部分地區年氣候舒適期變化的研究表明，其空間分布總體呈現“東南長、西北短”的格局，過去幾十年氣候舒適期呈明顯的增長趨勢，但變化幅度存在區域性差異。許善洋等[9]和于昕冉等[10]研究指出，甘肅省氣候舒適度的空間分布既有由東南向西北遞減的緯度地帶性，也存在隨海拔高度的升高而降低的垂直地帶性特點，1955—2015 年甘肅省氣候舒適度總體趨于改善，其中，春、秋季氣候舒適度指數顯著增大，冬季變化不明顯，而夏季則呈減小趨勢。馬麗君等[11]使用綜合氣候舒適度指數模型對1958—2007 年中國東部城市氣候舒適度時空變化研究發現，高緯度城市氣候舒適度指數總體呈增大趨勢，而低緯度城市則呈減小趨勢，并且隨著氣候的變暖，氣候舒適度減小的城市趨于增多。從上述的研究可以看出，因地理環境和氣候背景不同，各地氣候舒適度及其變化具有明顯的區域和季節性差異。

烏魯木齊市是新疆維吾爾自治區的首府，全疆政治、經濟、文化、科技和交通中心，也是“一帶一路”絲綢之路經濟帶的核心區，氣候舒適度對當地社會、經濟的發展有重要影響[12-13]。由于地域廣闊，地形地貌復雜，氣候類型多樣，烏魯木齊市氣候舒適度具有明顯的區域性差異[12-13]。另外，在全球變暖背景下，近50 多年烏魯木齊市氣候呈明顯的“暖濕化”趨勢[14-17]，這也必將對氣候舒適度產生影響。馬麗君等[12]、李東等[13]使用烏魯木齊國家基本氣象站單站歷史氣候資料就1962—2011 年氣候舒適度的變化研究表明，受氣溫升高、降水增多、風速減小的影響，氣候舒適度總體趨于改善。但由于選用的站點單一、資料序列較短，因此，其研究結果難以體現全市不同區域氣候舒適度的變化[12-13]。因此，本文擬使用烏魯木齊市及其周邊9 個國家氣象觀測站1961—2020年歷史氣候數據，對烏魯木齊市近60 年氣候舒適度時空變化特點及其成因進行研究分析，以期為適應氣候變化，科學制定烏魯木齊市城市發展規劃，客觀評價城市人居環境提供氣候學依據。

1 研究區概況

烏魯木齊市地處中國西北內陸，亞歐大陸腹地，位于新疆中天山北麓、準噶爾盆地南緣，地理坐標86°48′～88°58′E，42°45'～45°00′N，總面積為1.421 6×104km2，地勢總體呈南高北低、東高西低的特點（圖1）。以海拔高度1 500 m 為界，烏魯木齊市大致可分為平原和山區兩大地貌單元，北部平原屬暖溫帶半干旱區，中部山前傾斜平原和烏拉泊至達坂城山間峽谷地帶屬中溫帶半干旱、干旱區，海拔1 500～1 800 m 的低山帶為中溫帶半干旱、半濕潤區，1 800～2 500 m 的中山帶為寒溫帶半濕潤區，2 500～3 200 m 的亞高山帶為亞寒帶半濕潤區，海拔3 200 m 以上高山帶為寒帶半濕潤區[17-19]。

圖1 烏魯木齊市及其周邊氣象站點分布

2 資料與方法

2.1 資料來源

烏魯木齊市氣象站點稀疏且分布不均，資料序列較長的只有米東、烏魯木齊、達坂城、小渠子和大西溝5 站。為提高氣候舒適度指數空間插值模擬的精度，本研究將隸屬于昌吉回族自治州但緊鄰烏魯木齊市的蔡家湖、昌吉、阜康和天池4 個氣象站也列入舒適度指數空間插值模擬的建模站點序列[14-17]。研究區域和氣象站點分布見圖1，各站氣候資料以及烏魯木齊市1∶50 000 地理信息數據由新疆氣象信息中心提供。

2.2 方法

2.2.1 氣候舒適度指數的計算

采用綜合氣候舒適度指數模型計算各站1961—2020 年逐月氣候舒適度指數[11-13]：

式中：C 為氣候舒適度指數，XTHI、XWEI和XICL分別為溫濕指數（THI）、風效指數（WEI）和著衣指數（ICL）的賦值，0.6、0.3、0.1 為各分指數值的權重系數。

溫濕指數計算式為：

風效指數計算式為：

著衣指數計算式為：

式（2）～（4）中：THI、WEI和ICL分別為溫濕指數、風效指數和著衣指數；t 為平均氣溫（℃）；f 為平均相對濕度（%）；v 為平均風速（m·s-1）；s 為日照時數（h）；α為太陽高度角（°），α=90-φ+δ，φ 為地理緯度（°），δ 為太陽赤緯（°）；R 為太陽常數，R=1 385 W·m-2；H 代表人體代謝率的75%，取輕微活動量下的代謝率（116 W·m-2），這時H=87 W·m-2。

春（3—5 月）、夏（6—8 月）、秋（9—11 月）、冬（12 月—次年2 月）季氣候舒適度指數取季內各月氣候舒適度指數的算術平均值。

舒適度指數C 的取值與氣候舒適度的對應關系為：7≤C≤9 為舒適，5≤C＜7 為較舒適，3≤C＜5為較不舒適，1≤C＜3 為不舒適。

2.2.2 氣候舒適度指數變化分析

使用線性傾向率[20]研究1961—2020 年氣候舒適度指數的變化趨勢。另外，將1961—2020 年劃分為1961—1990 年（簡稱前30 a）以及1991—2020年（簡稱“近30 a”）兩個標準期[21]，對比分析2 個時期氣候舒適度指數的變化。

2.2.3 氣候舒適度指數與氣候要素的相關性分析

使用相關系數法[20]分析1961—2020 年春、夏、秋、冬季氣候舒適度指數與同期平均氣溫、相對濕度、平均風速、日照時數的相關關系，以信度P=0.05作為相關顯著性判別標準。

2.2.4 氣候舒適度指數空間插值模擬

采用宏觀地理因子的三維二次趨勢面與反距離加權殘差訂正相結合的混合插值法，對氣候舒適度指數進行100 m×100 m 柵格點的空間插值模擬[14-17]。

3 結果分析

3.1 氣候舒適度指數的年內變化

就不同區域氣候舒適度指數的年內變化來看（圖2），平原地帶（米東、烏魯木齊、達坂城站，下同）呈雙峰雙谷的“M”型，即1—5 月指數值持續上升，5—7 月轉為下降，7—9 月再次回升，9—12 月又快速下降；山區（小渠子、大西溝站，下同）則表現為單峰單谷的“∩”型，即1—7 月舒適度指數持續上升，7月達到峰值后至12 月又持續下降。平原地帶春、秋、冬季各站氣候舒適度指數相差不大，但夏季指數值隨海拔高度的升高而增大；山區中山帶（小渠子）全年氣候舒適度指數均大于高山帶（大西溝），其中，夏半年（4—9 月）偏高尤為明顯。

圖2 烏魯木齊市不同區域氣候舒適度指數年內變化

3.2 近60 年氣候舒適度指數變化

1961—2020 年烏魯木齊市氣候舒適度指數的變化具有明顯的區域性和季節性差異。春季平原地帶以0.07/10 a 的傾向率顯著（P=0.05，下同）增大，山區以0.01/10 a 的傾向率不顯著的略增；夏季平原地帶以-0.16/10 a 的傾向率顯著減小，山區則以0.10/10 a 的傾向率顯著增大；秋季平原和山區分別以0.05/10 a、0.06/10 a 的傾向率顯著增大；冬季平原地帶以0.04/10 a 的傾向率顯著增大，但山區無明顯變化趨勢（圖3）。1991—2020 年較1961—1990 年平原地帶春、秋、冬季氣候舒適度指數分別增大了0.24、0.18 和0.13，夏季減小了0.50；山區春、夏、秋季分別增大了0.08、0.33 和0.19，冬季基本無變化。

圖3 1961—2020 年烏魯木齊市不同區域春（a）、夏（b）、秋（e）、冬（d）季氣候舒適度指數變化

3.3 氣候舒適度指數變化成因

3.3.1 春季

1961—2020 年春季烏魯木齊市平原和山區氣候舒適度指數與同期平均氣溫、日照時數均呈正相關（表1）。近60 年平原和山區春季平均氣溫分別以0.44 和0.28 ℃/10 a 的傾向率顯著升高（表2），這對氣候舒適度的改善具有重要意義；平原地帶春季日照時數以0.04 h/10 a 的傾向率增多，對氣候舒適度的改善也有積極作用，但山區日照時數以-0.04 h/10 a的傾向率減少，對氣候舒適度有一定負面影響。春季平原和山區氣候舒適度指數與同期相對濕度和平均風速均呈負相關，這表明空氣濕度增大或多風將使人體的“冷”不舒適感增強[2-4]，近60 年平原地帶春季相對濕度和平均風速分別以-0.80%/10 a和-0.28 m·s-1/10 a 的傾向率顯著減小，對氣候舒適度的改善有利；但山區相對濕度以0.69%/10 a 的傾向率顯著增大，對氣候舒適度有一定負面影響。近60 年烏魯木齊市春季氣候變化對舒適度的影響總體利大于弊，其中平原地帶的利好作用更為明顯（圖3a）。

表1 不同區域四季氣候舒適度指數與氣候要素的相關關系

表2 1961—2020 年烏魯木齊市不同區域四季氣候要素變化傾向率

3.3.2 夏季

1961—2020 年夏季平原地帶氣候舒適度指數與平均氣溫呈顯著負相關，山區則呈顯著正相關（表1）。近60 年來平原和山區夏季平均氣溫分別以0.28 和0.26 ℃/10 a 的傾向率顯著升高（表2），這對夏季炎熱的平原地帶氣候舒適度將產生較明顯的負面影響，而對氣候冷涼的山區則具有積極作用。平原和山區夏季氣候舒適度指數與平均相對濕度的相關性均不顯著，因此，盡管近60 年兩區域平均相對濕度均不同程度地增大，但對氣候舒適度的影響不大。平原地帶夏季氣候舒適度指數與平均風速呈顯著正相關，而山區呈顯著負相關，近60 年兩區域夏季平均風速分別以-0.31 和-0.06 m·s-1/10 a 的傾向率顯著減小，這對平原地帶的氣候舒適度將產生負面影響，而對山區則具有積極作用。平原和山區夏季氣候舒適度指數與日照時數的相關關系均不顯著，因此，盡管近60 年兩區域夏季日照時數呈現不同程度的減少趨勢，但對氣候舒適度的影響不大。近60 年烏魯木齊市夏季氣候變化對平原地帶氣候舒適度總體弊大于利，而山區則利大于弊（圖3b）。

3.3.3 秋季

1961—2020 年秋季烏魯木齊市平原和山區氣候舒適度指數與同期平均氣溫及日照時數均呈正相關（表1）。近60 年來兩區域秋季平均氣溫分別以0.40 和0.29 ℃/10 a 的傾向率顯著升高（表2），這對氣候舒適度的改善具有積極作用，但日照時數分別以-0.08 和-0.04 h/10 a 的傾向率顯著減少對氣候舒適度有一定負面影響。平原和山區秋季氣候舒適度指數與同期相對濕度和平均風速均呈負相關，平原地帶秋季相對濕度和平均風速分別以-0.22%/10 a和-0.23 m·s-1/10 a 的傾向率減小，對氣候舒適度有積極影響，但山區相對濕度以0.88%/10 a 的傾向率顯著增大，對氣候舒適度有一定不利影響。近60 年烏魯木齊市秋季氣候變化對氣候舒適度總體利大于弊（圖3c）。

3.3.4 冬季

1961—2020 年冬季烏魯木齊市平原和山區氣候舒適度指數與同期平均氣溫均呈顯著正相關（表1）。兩區域冬季平均氣溫分別以0.43 和0.18 ℃/10 a 傾向率升高，對氣候舒適度的改善具有積極意義。平原地帶冬季氣候舒適度指數與相對濕度相關不顯著，而山區則呈顯著負相關，因此，近60 年平原相對濕度不顯著的略增對氣候舒適度的影響不大，而山區相對濕度以1.2%/10 a 的傾向率顯著增大對氣候舒適度有不利影響（表2）。平原和山區冬季氣候舒適度指數與同期平均風速均呈顯著負相關，近60 年平原地帶冬季平均風速以-0.16 m·s-1/10 a 的傾向率顯著減小，對氣候舒適度較有利，山區平均風速變化不顯著，對氣候舒適度的影響不大。山區冬季氣候舒適度指數與日照時數呈顯著正相關，而平原地帶相關不顯著，因此近60 年兩區域冬季日照時數分別以-0.04 和-0.23 h/10 a 的傾向率顯著減少，對山區氣候舒適度將產生較明顯的負面影響，而對平原地帶的影響較小。近60 年烏魯木齊市平原地帶冬季氣候變化對氣候舒適度總體利大于弊，而山區則利弊相當（圖3d）。

3.4 氣候舒適度指數空間分布及其變化

3.4.1 春季

烏魯木齊市春季氣候舒適度指數的空間分布總體呈現隨海拔高度的升高而降低的特點（圖4）。1961—1990 年海拔1 300 m 以下的中北部平原的舒適度指數為5.0～5.8，屬于氣候較舒適區，面積為7 528.4 km2，占全市總面積的53.0%；海拔1 300～3 000 m的山前丘陵至亞高山帶舒適度指數為3.0～5.0，屬于較不舒適區，面積為4 847.1 km2，占比34.1%；海拔3 000 m 以上的高山帶舒適度指數在3.0 以下，屬于氣候不舒適區，面積為1 840.8 km2，占比12.9%；全市春季無舒適度指數7.0 以上的氣候舒適區[11-13]。1991—2020年與前30 a 相比，舒適度指數為5.0～6.0 的區域海拔上限升高了約100 m，面積擴大958.9 km2，占比增大6.7%；舒適度指數3.0～5.0 以及3.0 以下的區域整體向高海拔抬升了50～100 m，面積分別縮小了828.0 和130.8 km2，縮小5.8%和0.9%（表3）。

表3 1961—1990 年和1991—2020 年春、夏、秋季各氣候舒適度分區面積及其變化

圖4 1961—1990 年（a）和1991—2020 年（b）烏魯木齊市春季氣候舒適度指數空間分布

3.4.2 夏季

烏魯木齊市夏季氣候舒適度指數空間分布呈現隨海拔高度的升高先增后減的特點（圖5）。1961—1990 年舒適度指數7.0 以上的舒適區位于海拔1 100～2 500 m 的山前傾斜平原至中山帶，其面積為7 391.8 km2，占全市總面積的52.0%；海拔1 100 m 以下的中北部平原以及海拔2 500～3 300 m的亞高山帶舒適度指數為5.0～7.0，屬氣候較舒適區，面積為5 528.3 km2，占比38.9%；海拔3 300～3 800 m 的高山帶舒適度指數為3.0～5.0，屬于氣候較不舒適區，面積為815.7 km2，占比5.7%；海拔3 800 m 以上的高寒地帶舒適度指數小于3.0，為不舒適區，面積為480.5 km2，占比3.4%。1991—2020年與前30 a 相比，舒適度指數＞7.0 的區域向高海拔抬升了100～150 m，面積減小了514.2 km2，減小3.6%；中北部平原舒適度指數5.0～7.0 區域的海拔上限抬升了100～150 m，面積明顯增大，而亞高山帶舒適度指數5.0～7.0 的區域則略有減小，受其共同影響，全市舒適度指數5.0～7.0 的面積擴大了717.6 km2，占比增大5.0%；舒適度指數3.0～5.0 以及＜3.0 的區域整體向高海拔抬升了50～100 m，面積略有減小（表3）。

圖5 1961—1990 年（a）和1991—2020 年（b）烏魯木齊市夏季氣候舒適指數空間分布

3.4.3 秋季

烏魯木齊市秋季氣候舒適度指數的空間分布呈現隨海拔高度的升高而減小的特點（圖6）。1961—1990 年海拔1 300 m 以下的中北部平原舒適度指數為5.0～5.8，屬氣候較舒適區，面積為6 571.2 km2，占全市總面積的46.2%；海拔1 300～3 000 m 的山前丘陵至亞高山帶舒適度指數為3.0～5.0，屬于氣候較不舒適區，面積為5 744.1 km2，占比40.4%；海拔3 000 m 以上的高山帶舒適指數在3.0 以下，屬于氣候不舒適區，面積為1 901.1 km2，占比13.4%；全市秋季無舒適度指數7.0 以上的氣候舒適區。1991—2020 年較前30 a，中北部平原舒適度指數5.0～5.9區域的海拔上限升高了100～150 m，面積增大929.6 km2，增大6.5%；指數3.0～5.0 以及3.0 以下的區域整體向高海拔抬升了50～100 m，面積分別減小了694.1 和235.5 km2，減小4.9%和1.7%（表3）。

圖6 1961—1990 年（a）和1991—2020 年（b）烏魯木齊市秋季氣候舒適指數空間分布

3.4.4 冬季

1961—1990 年冬季烏魯木齊市各地氣候舒適度指數均在2.3 以下（圖7），屬于氣候不舒適區[11-13]，但舒適度指數仍存在區域性差異，南部和東部高山帶以及柴窩堡至達坂城山間谷地舒適度指數＜1.8，山前傾斜平原至中山帶為1.8～2.1，中西部平原及低山帶為2.1～2.3。1991—2020 年較前30 a，舒適度指數為2.1～2.5 的區域明顯向東和南部擴張；指數1.8～2.1 的區域向高海拔抬升并壓縮了100～150 m；指數＜1.8 的區域在山區變化不大，而在達坂城峽谷地帶則明顯減小。雖如此，全市冬季氣候舒適度指數仍在2.5 以下，屬于氣候不舒適區的狀況未發生改變。

圖7 1961—1990 年（a）和1991—2020 年（b）烏魯木齊市冬季氣候舒適度指數空間分布

4 討論

本文對1961—2020 年烏魯木齊市氣候舒適度的變化研究顯示，其變化趨勢與我國北方多數地區過去幾十年“冷不舒適”頻次趨于減少、“熱不舒適”頻次趨于增多的變化大體一致，這表明，以氣候變暖為主要特征的全球變化對我國北方地區氣候舒適度的影響具有一定的共性[11-13，22]。此外，本研究還定量化分析了氣候變化背景下烏魯木齊市各級氣候舒適度分區隨季節、地理環境的動態變化規律，可為開展相關氣象服務提供理論依據。值得說明的是，影響人體氣候舒適度的要素很多，除氣溫、風速、相對濕度和日照時數[11-13]外，氣壓以及各類氣象災害也有一定影響[23]。另外，研究區氣象站點稀疏，對研究結果的精細化程度也有影響。因此，今后隨著氣候舒適度指數模型的改進以及各類多源氣象數據的應用，有關烏魯木齊市氣候舒適度的研究仍需進一步深入。

5 結論

（1）烏魯木齊市氣候舒適度指數的年內變化，平原地帶呈雙峰雙谷的“M”型，山區則為單峰單谷的“∩”型。

（2）受氣溫升高、相對濕度增大、風速減小、日照時數減少的綜合影響，1961—2020 年烏魯木齊市平原地帶春、秋、冬季氣候舒適度指數顯著增大，夏季顯著減小；山區夏、秋季氣候舒適度指數顯著增大，冬、春季變化不明顯。

（3）1991—2020 年與1961—1990 年相比，春季和秋季平原地帶氣候較舒適區向高海拔擴大了約950 km2，山區較不舒適區和不舒適區分別減小了694～828 和131～236 km2；夏季平原地帶氣候較舒適區向高海拔擴大了718 km2，山前傾斜平原至中山帶的舒適區減小514.2 km2，高山帶較不舒適區和不舒適區略有減小；冬季全市屬于氣候不舒適區的狀況未發生改變。