玄明君，王鼎震，孫彥坤

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

近年來城市人口增多，城市化進(jìn)程加快，“熱島效應(yīng)”[1-3]越來越明顯，造成城市整體溫度或局部溫度高于周圍地區(qū)；熱島效應(yīng)在夏季表現(xiàn)尤為明顯，已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們正常的工作和生活，為了幫助人們應(yīng)對熱島效應(yīng)，國內(nèi)外眾多學(xué)者提出人體舒適度指數(shù)模型以研究人體對外界的感受，根據(jù)不同等級來表明舒適程度。

本文應(yīng)用美國國家氣象局夏季舒適度及工作時(shí)數(shù)預(yù)報(bào)的溫濕指數(shù)模型，觀測三種不同下墊面的氣溫、空氣相對濕度、太陽輻射的數(shù)值，進(jìn)行模型運(yùn)算求得人體舒適度指數(shù)，最后通過SPSS因子分析，確定三個氣候指標(biāo)對人體舒適度指數(shù)的貢獻(xiàn)程度。

1 材料與方法

1.1 儀器

阿斯曼通風(fēng)干濕溫度計(jì)（9個）、WatchDog Weather Station小型便攜自動氣象觀測站（900ET）（3臺）、GPS全球定位儀。

1.2 觀測時(shí)間

時(shí)間為2009年8月，選擇晴朗天氣進(jìn)行觀測；從早8∶00到晚18∶00，每隔1 h進(jìn)行一次觀測。

1.3 觀測地點(diǎn)

地點(diǎn)選擇位于哈爾濱市東部郊區(qū)的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園，常年風(fēng)向:西南風(fēng)，平均風(fēng)速為:8.56 km·h-1。三個下墊面及觀測點(diǎn)位置:曠地，研究生樓西南側(cè)，N45°44.663′，E126°43.222′；林地，教學(xué)樓東北側(cè),N45°44.646′，E126°43.292；草地，主樓后側(cè)，N45°44.163′，E126°43.174′。

1.4 研究方法

人體舒適度的研究以氣候指標(biāo)為基礎(chǔ)，如氣溫、空氣相對濕度、太陽輻射、降水、風(fēng)速等，跟據(jù)本文研究的需要，選取三項(xiàng):氣溫、空氣相對濕度、太陽輻射。采用美國國家氣象局夏季舒適度及工作時(shí)數(shù)預(yù)報(bào)的溫濕指數(shù)（Thermal humidity index）[2]作為哈爾濱市郊八月份不同下墊面人體舒適度的評價(jià)指數(shù)，計(jì)算公式如下:

式中，THI為溫濕指數(shù)，在本文中作為人體舒適度的評價(jià)指數(shù)；T為實(shí)測氣溫（℃）；RH為實(shí)測空氣相對濕度。計(jì)算出的THI數(shù)值，按照表1進(jìn)行對照，可獲得人們對外界的感受。

1.5 數(shù)據(jù)處理

2009年哈爾濱市郊八月晴朗天數(shù)為16 d，由于16 d的數(shù)據(jù)量比較大，將16 d不同下墊面氣候指標(biāo)求平均值，得到一天不同下墊面氣候指標(biāo)整點(diǎn)時(shí)刻平均值，如表2所示。

通過溫濕指數(shù)模型運(yùn)算，得到一天不同下墊面人體舒適度指數(shù)整點(diǎn)時(shí)刻平均值，如表3所示。

表1 人體舒適度指數(shù)與人體舒適度的劃分標(biāo)準(zhǔn)Table1 THI and the standard of human comfort

表2 不同下墊面氣候指標(biāo)整點(diǎn)時(shí)刻平均值Table2 Hour mean value of climate indicators in different underlying surfaces

表3 不同下墊面人體舒適度指數(shù)整點(diǎn)時(shí)刻平均值Table3 Mean value of THI in different underlying surfaces

2 結(jié)果與分析

2.1 人體舒適度指數(shù)隨氣溫的日變化

曠地、草地、林地三種下墊面的THI隨溫度升高而升高，降低而降低；如圖1所示，曠地和草地14∶00達(dá)到最高溫度均為30.33℃，林地溫度始終低于曠地和草地，最高溫度為28℃，相對曠地和草地推遲1 h，與曠地的最大溫差:2.66℃；14∶00時(shí)，THI值為:25.14（曠地）、25.4（草地）、23.42（林地），對照表1，只有林地處于較舒適狀態(tài)，而曠地和草地均為不舒適狀態(tài)。18∶00曠地和草地THI接近較舒適狀態(tài)，林地仍處于較舒適狀態(tài)。

2.2 人體舒適度指數(shù)隨空氣相對濕度的日變化

THI隨空氣相對濕度降低而升高，升高而降低。如圖2所示，14∶00空氣相對濕度達(dá)到最低，曠地和草地THI為:25.14、25.49，均為不舒適；曠地、草地、林地三種下墊面日平均空氣相對濕度:0.53、0.56、0.54；草地最大，曠地最低?？諝庀鄬穸冗^高會讓人感到潮濕，過低讓會人感到干燥，故此，林地的空氣相對濕度恰好能使人們感到舒適。

2.2 人體舒適度指數(shù)隨太陽輻射的日變化

THI隨太陽輻射先升高后降低，如圖3所示，太陽輻射在12∶00達(dá)最高值，THI沒有達(dá)到最大值，這與氣溫和空氣相對濕度不同，THI最大值沒有出現(xiàn)在氣溫和空氣相對濕度極值時(shí)刻；曠地、草地、林地日平均輻射值為565、574、79 w·m-2，林地最低，枝葉通過遮擋陽光降低太陽輻射能，保持林地THI數(shù)值處于舒適的范圍。

圖1 人體舒適度指數(shù)隨溫度的日變化Fig.1 Day changes of THI in temperature

圖2 人體舒適度指數(shù)隨空氣相對濕度的日變化Fig.2 Day changes of THI in air relative humidity

圖3 人體舒適度指數(shù)隨太陽輻射的日變化Fig.3 Day changes of THI in solar

2.3 不同下墊面人體舒適時(shí)間分析

按表1美國國家氣象局劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)21.1＜THI＜23.8時(shí)，人體對外界的感覺是較舒適的；當(dāng)THI＜21.1時(shí)，人體對外界的感受是最舒適的。曠地，草地，林地三種下墊面在8∶00～18∶00的THI平均值分別為:24.21、24.09、23.21，林地THI小于23.8，曠地和草地THI均大于23.8；說明地林比較舒適，曠地在9∶00前和18∶00后較舒適；草地在9∶00前和17∶00后較舒適；圖1-3中所標(biāo)，8∶00-18∶00舒適時(shí)間:林地（11 h）＞草地（2 h）＞曠地（1 h）。

2.4 氣候指標(biāo)對人體舒適度的貢獻(xiàn)度分析

氣候指標(biāo)的貢獻(xiàn)度分析，采用SPSS因子分析法[11]。進(jìn)行因子分析首先考察各因子間是否存在線性關(guān)系，是否可以采用因子分析，生成三個因子的相關(guān)性系數(shù)矩陣，如表4所示，總體相關(guān)性比較好，有較好的線性關(guān)系，可以進(jìn)行因子分析。

表4 因子的相關(guān)系數(shù)矩陣Table4 Correlationmatrix(a)

根據(jù)因子的相關(guān)系數(shù)矩陣，采取主成分分析法提取各因子的特征值，如表5所示。

特征根值用來反應(yīng)對THI的解釋程度，變量總方差表示因子占有THI的信息量；如表5所示，THI的解釋程度:氣溫（1.959）＞空氣相對濕度（1.041）＞輻射（0.26）；信息含量:氣溫（65.316%）＞空氣相對濕度（33.776%）＞輻射（0.908%）。以特征根值和因子序號為坐標(biāo)軸生成變量的碎石圖，如圖4所示，隨著序號變大，特征根值變小，各因子對THI的作用，就像“高山腳下的碎石”，越來越小。綜合特征根值和變量總方差數(shù)值的比較，三個因子對THI的貢獻(xiàn)程度:氣溫＞空氣相對濕度＞輻射。

表5 因子解釋人體舒適度方差Table5 Total Variance Explained with THI

圖4 因子的碎石Fig.4 Rubble of factors

3 討論

哈爾濱市郊八月不同下墊面人體舒適度指數(shù)日變化特征的研究，主要針對城市熱島效應(yīng)和對相應(yīng)天氣狀況提供舒適度參考，從而做出調(diào)整，使人們的工作更加有效率；本研究區(qū)域是市郊，范圍比較小，服務(wù)對象為人類，如果研究區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，可進(jìn)行大區(qū)域的人體舒適度指數(shù)研究，若更換以動植物為服務(wù)對象，可為動植物的保護(hù)提供一些幫助，為研究區(qū)域氣候的人員提供新的研究方向；由于能力有限，本研究只采用三個影響因子，而忽略了風(fēng)速、氣壓等因子，若將這些忽略因子加入到舒適度模型中，會大大提高模型的可用度，因此這些都是困擾眾多研究人員的問題，如果這些問題能夠得到很好的解決，并計(jì)算出一個新的模型，盡而更好的為人們服務(wù)。

4 結(jié)論

通過以氣溫、空氣相對濕度、輻射三個小氣候指標(biāo)作為研究人體舒適度指數(shù)的基礎(chǔ)指標(biāo)，運(yùn)用溫濕指數(shù)分析模型，分析THI隨三種氣候指標(biāo)在不同下墊面的日變化特征以及通過SPSS因子分析確定各指標(biāo)對人體舒適指數(shù)的貢獻(xiàn)度。

a.THI日平均值:曠地（24.21）＞草地（24.09）＞林地（23.21）；舒適時(shí)間長度:林地（11 h）＞草地（2 h）＞曠地（1 h）；舒適度關(guān)系:林地＞草地＞曠地。

b.因子分析:THI的解釋程度:氣溫（1.959）＞空氣相對濕度（1.041）＞輻射（0.26）；THI信息含量:氣溫（65.316%）＞空氣相對濕度（33.776%）＞輻射（0.908%）。

c.各因子對人體舒適度指數(shù)的貢獻(xiàn)度:氣溫＞空氣相對濕度＞輻射。

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