1991—2021年山東省人體舒適度時空分布特征

高理，劉煥彬

摘要：利用山東省1991—2021年122個國家氣象觀測站的逐日氣溫、降水量、相對濕度、風速等資料，分析山東省內氣候利弊條件，并采用IBC指數計算分析全省人體舒適度的時空分布特征。結果表明：（1）半島、魯南東部地區適宜氣溫日數和適宜降水日數占比多于山東中西部地區；中西部地區適宜風速日數占比多于東部地區；半島及魯南東部地區很少出現高溫天氣，半島東端易出現大風天氣；沿海地區、魯南地區的適宜濕度日數占比較其他地區偏多。（2）全省歷年平均人體舒適度指數均屬于偏涼等級，大部地區人體舒適日數呈增多趨勢。月均IBC指數多較為舒適，無寒冷等級，也無偏熱以上等級，多數人舒適日數（4～6級）月際變化呈“M”形分布，5、6、9月舒適日最多，冬季、初春、秋末冷不舒適日數多，僅夏季出現較少的熱不舒適日數。（3）山東各地均有6～7個月的舒適期，半島、魯南東部地區為最舒適，主要體現在青島、煙臺、威海地區氣候最舒適期（5級）長達4個月，內陸城市僅有3個月。（4）全省各地人體舒適日數與同期平均氣溫、平均相對濕度、平均風速密切相關，夏季氣溫偏低、風速偏大、濕度適中時人體舒適度較好，其他季節大致反之。

關鍵詞：山東；氣候；舒適度；特征

中圖分類號：P49? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：2096-3599（2023）03-0000-00

DOI： 10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.03.004

Spatial and temporal distribution of body comfort in Shandong province from 1991 to 2021

GAO Li1，2， LIU Huanbin1，2

（1. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong， Jinan 250031， China; 2. Shandong Climate Center， Jinan 250031， China）

Abstract： Using the daily temperature， precipitation， relative humidity， and wind speed data from 122 national meteorological stations in Shandong province from 1991 to 2021， the climatic advantages and disadvantages are analyzed， the body comfort index （IBC） is used to calculate and analyze the spatial and temporal distribution of body comfort in the province. The results are shown below. （1） The percentage of the optimum temperature and precipitation days is higher in the peninsula and the southeast of Shandong than in the middle and west of Shandong. The optimum wind speed days are more in the middle and west than in the east. The high temperature is rare in the peninsula and the southeast of Shandong， and the east end of the peninsula is prone to strong wind. The suitable humidity days are more in the coastal areas and the south of Shandong than in other areas. （2） The annual average IBC of the whole province belongs to the cool grade， and the number of comfortable days for human body is increasing in most areas. The monthly average IBC belongs to the comfortable grade without the cold grade or hot grade and above. The intermonthly variation of comfortable days for most people （grade 4–6） is distributed in a “M” shape： the most of comfortable days appear in May， June， and September， the number of cold uncomfortable days is more in winter， early spring， and late autumn， and fewer hot uncomfortable days appear in summer. （3） There is a comfortable period of 6–7 months in Shandong， and the peninsula and the southeast of Shandong are the most comfortable places for people. The most comfortable period （grade 5） is 4 months in Qingdao， Yantai， and Weihai， while it is only three months in inland cities. （4） The number of comfortable days for human body in all parts of the province is closely related to the average temperature， average relative humidity， and average wind speed in the same period. In summer， when the temperature is low， the wind speed is high， and the humidity is moderate， the humans are comfortable， while in other seasons， it is roughly the opposite.

Keyword： Shandong; climate; comfort; characteristics

引言

山東省東臨黃海、北瀕渤海，西連亞歐大陸，山東半島三面環海，全省海岸線長3 024 km，占全國的1/6。境內中部山地突起，東部半島大都是起伏和緩的丘陵區，西部、北部是黃河沖積而成的平原區。山東省屬暖溫帶亞濕潤氣候帶，季風氣候特點明顯，四季分明，雨量集中，但受海洋、緯度和地形的影響，各地氣候有較大差別。氣候條件決定一地氣候的宜居性，是衡量當地氣候生態資源優良的首要因素。近年來，為推進生態文明建設、助推地方經濟社會發展，很多地區開展了一系列的重要舉措。山東省在推進生態文明建設的過程中，堅持“綠水青山就是金山銀山”的重要理念，對城鄉環境、大氣、水源等進行治理，通過多種舉措打造宜居的生態環境；同時，山東省委辦公廳、山東省政府辦公廳印發《山東省生態文明建設目標評價考核辦法》，將綠色發展指數納入考核。因此，評估省內各地的氣候舒適性具有重要意義。

氣候能直接影響人體感知，人體對氣溫、相對濕度、風速等多種氣候因素的綜合反應，標示了人體對氣候條件的適應程度[1-5]。國外有關氣候舒適度的研究已有百余年的歷史[6-7]，評估方法從最初的儀器直接測定數據，到基于人體舒適度經驗模型大發展的時代，再發展到以人體熱平衡為基礎的機理模型時代。近年來，基于溫濕指數（ temperature-humidity index，THI）、風寒指數等的舒適度模型在我國被廣泛應用，此類指數在特定的熱環境或冷環境中更具有適用性[8]，因此也會根據季節不同或要素的適用范圍等，綜合考慮多種指數，來評價年內的總體舒適度。

近幾年，部分地區逐步開展了關于氣候宜居康養、避暑旅游等方向的評價工作，除了考慮空氣質量、水體質量、森林覆蓋率、風景名勝等生態關聯指標外，還主要考慮氣候稟賦、氣候風險、各類舒適度指數及綜合性評價指標等。李正泉等[9]對國內外氣候康養的研究進行了歸納總結，指出針對氣候類型的多樣性，要突出當地氣候特色。許多專家學者在氣候宜居、旅游度假舒適度方面開展了深入研究，一種是通過計算度假氣候指數[10]、人體舒適度指數[11-15]、體感溫度[16-17]、風效指數[18]、溫濕指數[19]等單指數進行分析，比如吳昊旻等[10]對浙江麗水的度假氣候指數進行了研究，邱粲等[18]基于風效指數結合數字高程模型對山東的旅游舒適度進行了估算與評價，楊成芳[11]首在調查試驗的基礎上驗證了當時業務使用的人體舒適度指數，提出了山東省各季節的最佳旅游區域。另一種是結合多種指數建立模型進行綜合分析[20-24]，例如，史有瑜等[24]針對河北省建立了城市生態氣候宜居性評估指標體系，另外，吳昊旻等[25]、徐鵬等[26]基于GIS空間技術分析得出氣候舒適度時空分布特征；沈平等[27]、林卉嬌等[28]采用熱氣候指數（universal thermal climate index，UTCI）分別對廣東省、全國的氣候舒適度進行分析，該指數是對氣溫、風速、水汽壓和平均輻射溫度進行6階多項式擬合獲得統計關系，對夏季的適用性較高。

2020年中國氣象局發布標準《氣候資源評價 氣候宜居城鎮》[29]，其定義的人體舒適度指數主要考慮溫度、相對濕度、風速，被廣泛應用于國家氣候標志的評價中，本文基于此指數進行研究，對山東各地31 a人體舒適度的時空分布特點進行分析，為省內各地的氣候宜居資源作客觀評價，為城市生態文明發展提供一定的科學依據。

1 資料與方法

1.1資料來源

所用資料為山東省16市122個國家級氣象觀測站1991—2021年的逐日氣象資料，包括平均氣溫、最高氣溫、降水量、風速、相對濕度資料。122站較均勻分布于全省16市各縣級區域。

1.2 方法

1.2.1資料處理方法

所用全省各氣象觀測站31 a逐日氣溫、降水量、風速、相對濕度等基本氣象要素數據均為山東省氣象信息中心經過質控審核的數據，齊河、河口等個別站點略有數據缺測：平均氣溫、降水量和相對濕度數據齊河站1991—1995年缺測，河口站1991年缺測；平均風速數據缺測站點略多，齊河站1991—1995年缺測，河口站1991、1993年缺測，東阿站1991年缺測，平陰站1994—1995年缺測。本文所有要素、日數平均值均為剔除缺測數據后，利用有完整觀測年份的逐日數據進行統計獲得。

1.2.2氣候利弊條件指標

參照《氣候資源評價 氣候宜居城鎮》中定義的氣候稟賦條件、氣候不利條件，從中選取以下6項指標對山東的氣候利弊背景進行分析：

（1）適宜溫度日數：15 ℃≤t≤25 ℃，t表示日平均氣溫；

（2）適宜降水日數：0.1 mm≤R＜10.0 mm，R表示日降水量；

（3）適宜風速日數：0.3 m/s≤V≤3.3 m/s，V表示日平均風速；

（4）適宜濕度日數：50%≤HR≤80%，HR表示日平均相對濕度；

（5）高溫日數：t≥35 ℃，t表示日最高氣溫；

（6）大風日數：V≥17.0 m/s，V表示日極大風速。

1.2.3人體舒適度指數

人體舒適度指數（QXT 570—2020）考慮了平均氣溫、相對濕度和風速3個要素對人體的綜合影響，其計算公式為：

，? ? ? ? ? ?（1）

式中：IBC為人體舒適度指數；t表示平均氣溫，單位為℃；HR為日平均相對濕度；V代表風速，單位為m/s。指數等級劃分如表1。

2 結果與分析

2.1山東省氣候利弊背景分析

統計山東省適宜溫度、適宜降水、適宜風、適宜濕度的日數和高溫、大風日數，并計算其多年平均占比。由有利條件來看，年適宜溫度日數在100.2～149.9 d之間，占全年27%～41%（圖1a）；年適宜降水日數在46.1～69.9 d之間，占全年13%～19%（圖1b），均為自西北向東南遞增；年適宜風速日數差異較大，魯南適宜風速日數較多，最多可達9成左右，半島東北部適宜風速日數最少，僅占全年約1/6（圖1c）；年適宜濕度日數較多地區主要集中在環渤海、半島地區，濟南、淄博、日照及周邊地區適宜日數較少（圖1d）。由不利條件來看，半島、魯南東部地區高溫日數少，部分地區無高溫，魯中淄博周邊是高溫多發地區，此外還有濟南、魯西南地區（圖1e）；大風多的地區主要集中在半島東端，占到全年的2成左右（圖1d），威海成山頭的多年平均大風日數多達78.9 d，煙臺長島為48.8 d。

2.2山東省人體舒適度時間變化

2.2.1年際變化

圖2為1991—2021年山東省人體舒適度指數（IBC）歷年變化。山東全省平均IBC為52.7，與歷年指數等級劃分均屬于4級（偏涼），1992年最低（IBC為51.1），2017年最高（IBC為54.1），2021年次高（IBC為54.0），指數上升趨勢為0.6/10 a，通過了α=0.01的顯著性水平檢驗。由于59～70為最舒適等級，所以由全省平均指數來看，總體呈從偏冷（大部分人舒適）到趨近最為舒適（5級）的變化趨勢。由圖3可見，人體最舒適日數（5級）、大部分人舒適及以上日數（4～6級）均呈增加趨勢，但未通過α=0.05的顯著性水平檢驗，平均增加速率分別為1.3 d/10 a、3.8 d/10 a；歷年冷不舒適日數（1～3級）在160.0 d左右，呈下降趨勢，變化速率為?5.1 d/10 a，通過了α=0.01的顯著性水平檢驗，熱不舒適日數多數不足20.0 d，呈增加趨勢，變化速率為1.6 d/10 a，未通過α=0.05的顯著性水平檢驗。

2.2.2月際變化

由全省各月平均人體舒適度指數（IBC）來看（圖4），山東無寒冷、悶熱、炎熱、暑熱、酷熱等級，月平均指數均處于2～6級。1、2、12月IBC指數分別為31.3、35.8和34.1，屬于較冷等級，3、11月IBC指數分別為43.4、43.3，屬于清涼等級，4、10月IBC指數分別為52.3、54.7，屬于偏涼等級，5、6、9月IBC指數分別為60.6、67.6、64.5，屬最舒適等級，7、8月IBC指數分別為72.6、71.7，屬于偏熱等級。

按照逐日人體舒適度指數的等級劃分，本文挑選出多年平均逐月冷不舒適日數（1～3級）、多數人舒適日數（4～6級）、熱不舒適日數（7～10級）進行分析（圖5）。由月際變化可以看出，11月至次年3月，連續5個月冷不舒適日數較多，各月均超過20.0 d；4～10月，山東多數人舒適日數較多，均為半個月以上，尤其5、9月超過27.0 d，占本月90%左右，逐月日數呈“M”形分布；全年僅夏季出現熱不舒適，且日數較少，6、7、8月日數分別為0.3 d、5.3 d、3.6 d。

2.3山東省人體舒適度空間分布

2.3.1? IBC指數空間分布

利用逐日IBC指數計算1991—2021年多年平均逐月和年IBC指數，按照表1中人體舒適度指標進行等級劃分。結果顯示，年IBC指數只有兩個級別，半島中東部人體感覺清涼（3級），其余地區均為偏涼（4級）；由各月指數等級來看，山東全省各地人體感覺在較冷—偏熱之間（2～6級）：1、2、12月全省均為2級，較冷，大部分人不舒適；3、11月全省均為3級，清涼，少部分人不舒適；10月全省均為4級，偏涼，大部分人感到舒適，4月除半島為3級清涼外，其他大部地區也為偏涼；5、6、9月全省大部為5級，即人體感覺最為舒適，僅5月半島東部和南部地區偏涼；7、8月全省大部地區人體感覺偏熱，大部分人感到舒適，半島部分地區人體感覺仍為最舒適（圖略）。

圖6列出了山東省16市代表站各月的人體舒適感覺程度，可以看到，山東省各市在冬季均為較冷程度，春初秋末也均為清涼程度，春末—夏季—秋初，地區差異較為明顯，半島的青島、煙臺、威海，最為舒適月份長達4個月（6—9月），其他內陸城市最為舒適月份為3個月（5、6、9月），盛夏的7—8月偏熱；日照最舒適月份僅有2個月（6、9月）。

2.3.2 舒適日數空間分布

統計1991—2021年4～6級人體舒適各月平均、年均日數如圖7所示。由年均日數來看，半島東端和魯北部分地區在171.0～180.0 d之間，除成山頭僅為158.5 d以外，其他地區均在180.0 d以上，魯南和魯中山區的部分地區超過190.0 d。由各月平均日數來看，冬季12月、1月均無舒適日數，2月僅0.1 d，3月人體舒適日數較少，各地均在10.0 d以內，西南部較東部、北部舒適日數多，4月起舒適日數逐月增多，魯西南首先超過20.0 d，到5月除半島東端外其他地區均超過25.0 d，進入6月東南沿海地區幾乎整月舒適，中西部舒適日數略少，但仍然在25.0 d以上，7—8月山東東西差異明顯，東部舒適日數明顯偏多，7月魯西南地區舒適日數僅十余天，9月全省舒適日數均在25.0 d以上，10—11月全省呈現南北差異，南部舒適日數多于北部。

表2為全省各氣象站4～6級人體舒適日數與同期平均氣溫、平均相對濕度、平均風速3個要素空間樣本的相關系數。年舒適日數及2—5月、10—11月的舒適日數，與3個要素的相關性基本一致，與平均氣溫呈正相關關系，且均通過α=0.01的顯著性水平檢驗，與平均相對濕度、平均風速呈負相關關系。6—9月的舒適日數與平均氣溫呈負相關關系，與平均風速呈正相關關系，其中夏季各月均通過α=0.01的顯著性水平檢驗；6—7月的舒適日數與平均相對濕度呈正相關關系，8月相關性較低，9月呈負相關關系。

由此可以看出，在氣溫較低的月份，溫暖干燥、風速較小的地區較為舒適，春季山東的西部、南部地區首先達到舒適等級；隨著夏季到來，中西部地區升溫較快，中西部常年有十余天的高溫出現，舒適日數減少，涼爽、濕潤、風較多的東南沿海地區極少出現高溫，舒適日數增多，青島、煙臺、威海地區夏季至初秋氣候最舒適期（5級）長達4個月（圖略）；隨著秋季氣溫逐步降低，大部地區舒適日數減少，10月魯南再次成為省內舒適日數最高的地區，但到11月迅速減少，12月無舒適日數。

2.3.3 舒適日數變化趨勢

1991—2021年全省各地4～6級人體舒適日數的變化趨勢如圖8所示。除半島局部地區呈減少趨勢外，其他地區均為增多趨勢，尤其山東西南地區，增多趨勢高達6～8 d/10 a。究其原因，主要因為山東各地的IBC指數在較冷—清涼—偏涼—舒適—偏熱之間，總體屬于氣溫較低的北方地區，近幾十年平均氣溫的上升趨勢，使得人體舒適日數也逐漸增多。

3 總結與討論

（1）山東省內，半島、魯南東部地區的適宜氣溫和適宜降水日數較西部、北部多；但是適宜風速日數的分布大致相反，中西部地區適宜風速日數較半島及魯中東部地區多；半島及魯南東部地區很少出現高溫天氣，半島東端易出現大風天氣；半島、魯西北東部、魯南地區的適宜濕度日數較其他地區偏多。

（2）全省平均人體舒適度指數（IBC）為52.7，與歷年指數等級劃分均屬于偏涼等級，指數呈上升趨勢。月均IBC指數等級劃分在較冷—偏熱等級之間，無寒冷、悶熱、炎熱、暑熱、酷熱等級，逐月的多數人舒適日數呈“M”形分布，5、6、9月舒適日最多，冬季、初春、秋末冷不舒適日數多，僅夏季出現較少的熱不舒適日數。

（3）山東氣候環境各地均有6～7個月的舒適期（4～6級），夏季半島、魯南東部地區為最舒適，內陸城市則在春末夏初、初秋有3個月的氣候最舒適期；冬季較冷，各地均不舒適。全省大部地區舒適日數呈增多趨勢，全省各地人體舒適日數與同期平均氣溫、平均相對濕度、平均風速密切相關，夏季氣溫偏低、風速偏大、濕度偏大人體舒適度較好，其他季節大致反之。

與文獻研究對比，不同的氣候舒適度指數存在差異，比如盧山[15]在對臨沂地區舒適度研究中采用溫濕指數（THI）、人體舒適度氣象指數（body comfortability meteorological index，BCMI），得出結論4、5、10月為最佳舒適期，6、9月為較適宜期，本文采用人體舒適度指數計算臨沂地區氣候舒適度，5、6、9月最舒適，4、7、8、10月較舒適，總體來看，使用IBC計算山東夏季的氣候，較其他兩個指數舒適度更高。

相同指數情況下，本文研究的山東人體舒適度變化特征與朱衛浩等[2]在全國人體舒適指數特征的研究總體一致，華東區域指數也呈上升趨勢，夏季指數最高，主要因為溫度的正相關影響較大。但山東處于華東北部，在各月人體舒適日數分布上，更接近華北地區，甚至山東東部沿海地區夏季偏熱天數較緯度較高的華北地區偏少。朱衛浩等[2]利用IBC分析全國各區人體舒適度時，華南地區人體感覺偏熱天數較多，夏季基本整月偏熱，東北、西北人體感覺偏熱天數少，一般每月在5天左右，華東和華中地區舒適度感覺相當，7—8月各約25 d左右的偏熱日數，華北盛夏每月約10 d偏熱；而山東在7月大部分地區偏熱日數不足10 d，8月更是僅有5 d左右（圖5）。說明該指數對全國舒適度可以進行較為準確的區域劃分，但在山東這樣介于南北方之間的沿海省份，氣候時空差異明顯[30]，若有更細致的計算分析或更為合理的等級劃分，才能與實際生活體驗更為吻合。

人體舒適感受程度與很多因素有關，IBC考慮了日平均的氣溫、濕度、風速的影響，但是在分析中發現夏季相對濕度與舒適日數的關系不夠明確，這很可能是氣溫、風速對于區域差異性的影響大于相對濕度的影響，要素之間的權重在兼具沿海和內陸地區的山東適用性欠佳。另外，隨著近年氣候極端事件的增多[31-32]，溫度、降水、風速波動較大，時有突破建站以來極值的情況，本文所統計均為多年或月平均情況，不能代表月內的極端性，若能在指標中加入要素極端性的影響，或可為氣候舒適性帶來更為精細的評估。應該考慮增加日最高氣溫、日最大相對濕度等要素影響，同時考慮調整不同要素的權重、改進分級方法等進一步修訂指數計算公式，可使其更適用于山東實際人體舒適度特征。

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