安 強，龍?zhí)煊?，黃寧秋，馬志鵬，劉星月，李玉芳

(重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400045)

三峽庫區(qū)人居環(huán)境氣候適宜性*

安 強，龍?zhí)煊澹?，黃寧秋，馬志鵬，劉星月，李玉芳

(重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400045)

運用GIS技術(shù)，在充分考慮氣溫、濕度、風速以及日照等條件下，計算了1995年1月至2010年12月三峽庫區(qū)22個氣象站點的溫濕指數(shù)和風效指數(shù)及其時空分布，對三峽庫區(qū)人居環(huán)境氣候適宜性的總體分布趨勢進行分析.并以2003年6月三峽工程一期蓄水作為時間中點，分析了三峽工程蓄水前后庫區(qū)人居環(huán)境氣候適宜性變化，同時對庫區(qū)水位與氣象要素的相關(guān)性進行定量分析.結(jié)果表明:從11月到翌年3月，庫區(qū)氣候偏冷，屬于較不舒適人居環(huán)境;夏季的6－9月，整個庫區(qū)氣候偏熱，屬于較不舒適的人居環(huán)境;庫區(qū)年均溫濕指數(shù)和風效指數(shù)均呈現(xiàn)明顯的地區(qū)差異，整體表現(xiàn)為由庫區(qū)中部向東西遞減的趨勢;庫區(qū)氣候適宜性指數(shù)在三峽工程前后變化明顯，庫區(qū)水位與氣候適宜性因子在2003年6月以前沒有顯著的相關(guān)性，在2003年6月以后，與溫濕指數(shù)呈顯著正相關(guān)，而與風效指數(shù)呈顯著負相關(guān).

三峽庫區(qū);氣候適宜性;溫濕指數(shù);風效指數(shù)

人居環(huán)境作為由多種尺度、多種形式的人工和自然環(huán)境相結(jié)合的總體區(qū)域，由區(qū)域的地質(zhì)、氣候、植被、動物以及土壤等多方面因素構(gòu)成［1］.氣象因素是最活躍、最基礎(chǔ)的因子之一.氣候適宜性很大程度上決定著人居環(huán)境的舒適與否，也是評價區(qū)域是否宜居的重要標準之一.人居環(huán)境氣候適宜性是以人類機體與近地大氣之間的熱交換原理為基礎(chǔ)，從氣象角度評價人類在不同氣候條件下體感舒適程度的生物氣象指標［2］.氣候適宜性評價已經(jīng)成為人居環(huán)境和旅游資源評價的一項重要內(nèi)容.大型水利工程對區(qū)域氣候、生態(tài)的影響雖已成為國內(nèi)外學者研究的熱點，但是對于人居環(huán)境的影響研究目前仍少見報道.

三峽庫區(qū)是指長江三峽水利樞紐工程175 m水位淹沒所涉及的湖北省、重慶市20個縣(市、區(qū))，庫區(qū)戶籍總?cè)丝?068萬人(2008年統(tǒng)計)，幅員面積5.8×104km2.庫區(qū)處于中緯度，具有亞熱帶季風濕潤地區(qū)的氣候特征，整個庫區(qū)四季分明，冬季微冷，夏季熱而多雨.區(qū)內(nèi)熱量充足，年平均氣溫為15～18℃，年降水量為1000～1250 mm.三峽工程使水庫上游沿江附近下墊面由土地或植被不斷變?yōu)樗w，其物理屬性(輻射性質(zhì)、熱容量和導熱率等)發(fā)生了較大的變化，水汽狀況也將隨之變化，三峽庫區(qū)下墊面的變化在一定程度上勢必引起區(qū)域氣候特征的改變.近年來隨著高溫干旱和低溫雨雪冰凍災害等極端天氣的出現(xiàn)，不斷引發(fā)社會公眾對三峽工程建設(shè)是否是引起極端天氣出現(xiàn)原因的關(guān)注.許多學者開展了三峽水庫對區(qū)域氣候影響的研究.陳柏林［3］的研究表明，三峽水庫建成后冬季氣溫將有所變暖，降水有冬季增加、夏季減少的趨勢，空氣濕度則稍有增加.

氣象條件對于人體舒適性的影響方面，國內(nèi)外學者從多種角度提出了多項評價指標.早在1920年，英國學者洪特就提出了有效溫度的概念［4］，Thom于1959年提出了不舒適指數(shù)［5］，1966年Terjung提出了舒適指數(shù)和風效指數(shù)［6］，而1973年Oliver在評價溫濕指數(shù)和風效指數(shù)的基礎(chǔ)上，探討了溫度、濕度、風速等氣象條件對人體舒適度的影響［7］，1979年生物學家Steadman從人體熱量平衡角度提出了感熱溫度［8-9］.國內(nèi)的氣候適宜性研究于1990s起步，如張劍光等的氣候宜人度模型，呂偉林的體感溫度模型以及王遠飛等的上海氣候舒適度指數(shù)等［10-12］.與此同時，唐焰等［13-16］利用國內(nèi)外已有的評價模型如舒適指數(shù)、溫濕指數(shù)以及風效指數(shù)等，對人居環(huán)境氣候適宜性進行了定量分析評價.運用GIS等技術(shù)進行人居環(huán)境氣候適宜性的評價研究已經(jīng)成為當前氣候適宜性評價研究的趨勢和熱點，借助GIS技術(shù)以格柵為評價單元可以更加精確地反映氣候條件的區(qū)域差異.而隨著三峽庫區(qū)氣候條件的改變，對庫區(qū)人居適宜性也會有相應的影響.本文運用GIS等技術(shù)評價1995年1月至2010年12月三峽庫區(qū)人居環(huán)境氣候適宜性的變化，并分析其與庫區(qū)水位變化的關(guān)系.

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

人體舒適度指數(shù)是從氣象角度來評價不同氣候條件下人的舒適感，并根據(jù)人類機體與大氣環(huán)境之間的熱交換而制定的生物氣象指標.氣象條件主要由氣壓、氣溫、濕度、風力、日照、降水要素組成.對人體生理影響最大的因素是氣溫、濕度、風力和日照，這些因素直接影響人體與外界環(huán)境的熱量與水分交換.本文采用溫濕指數(shù)和風效指數(shù)對三峽庫區(qū)的氣候適宜性進行定量評價，并以2003年6月三峽大壩蓄水為中間點，分析蓄水前后庫區(qū)人居環(huán)境氣候適宜性的變化，探討其與庫區(qū)水位變化的相關(guān)性，相關(guān)性計算采用統(tǒng)計軟件SPSS 17.0.

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，包括三峽庫區(qū)及周邊地區(qū)22個常規(guī)氣象站1995－2010年的月均氣溫、濕度、風速以及日照資料，站點分布見圖1.庫區(qū)水位數(shù)據(jù)來自中國長江三峽集團公司水情信息網(wǎng)，其中，1995年1月至2003年6月采用的是葛洲壩上游水位的月平均值，2003年7月至2010年12月采用的是三峽大壩上游水位的月平均值.

1.2 溫濕指數(shù)和風效指數(shù)

溫濕指數(shù)(Temperature Humidity Index，THI)采用Oliver的指數(shù)公式，物理意義是濕度修訂以后的溫度，綜合考慮溫度和濕度對人體舒適度的影響.風效指數(shù)K采用由Bedford提出，Spile、Court以及Thomas-Boyd等改進的計算公式，物理意義是指皮膚溫度為33℃時，體表單位面積的散熱量.THI和K計算公式分別為:

式中，t是攝氏溫度，T是華氏溫度，f是空氣相對濕度(以百分比表示)，v是風速(m/s)，s是日照時數(shù)(h/d).

圖1 三峽庫區(qū)及周邊地區(qū)常規(guī)氣象站點分布Fig.1 The distribution of climate monitoring stations in Three Gorges Reservoir and its adjacent area

1.3 人居環(huán)境氣候適宜性劃分標準

基于溫濕指數(shù)和風效指數(shù)的區(qū)域人居環(huán)境氣候適宜性評價標準見表1［12］.將區(qū)域溫濕指數(shù)或風效指數(shù)的生理氣候指標分為9級，當?shù)燃墳锳、B或b時，氣候適宜性為舒適;等級c、d、e對應的為冷、不舒適;C、D、E對應的為熱、不舒適.

表1 溫濕指數(shù)與風效指數(shù)生理氣候分級標準Tab.1 Standards for physiological climate of THI and K

2 結(jié)果與討論

2.1 三峽庫區(qū)人居氣候適宜性總體評價

2.1.1 多年月平均THI與K值變化 從三峽庫區(qū)多年月平均THI的計算結(jié)果來看，三峽庫區(qū)1、2、3、11、12 月的人居環(huán)境都處于不舒適區(qū)，其余各月屬于舒適區(qū).而從K來看，庫區(qū)6－9月的人居環(huán)境處于不舒適區(qū)，其余各月屬于舒適區(qū).綜合考慮THI和K，整個三峽庫區(qū)只有在4、5和11月份屬于人居環(huán)境舒適區(qū)，總體來說，人居環(huán)境并不樂觀.從11月至翌年3月，庫區(qū)氣候偏冷、較不舒服，特別是在1月份，THI最低，整個庫區(qū)寒冷，屬于不舒適人居環(huán)境.而夏季的6－9月，整個庫區(qū)氣候偏熱，也屬于較不舒適人居環(huán)境(表2).

2.1.2 年平均THI與K值空間分布 三峽庫區(qū)1995－2010年的年均THI和K分布表明，庫區(qū)的年均氣候適宜性指數(shù)隨地區(qū)的變化略有差異，整體表現(xiàn)為庫區(qū)中部分別向東、西方向遞減的趨勢(圖2).THI的高值出現(xiàn)在萬州以及重慶主城地區(qū)，低值區(qū)則出現(xiàn)在江津南部以及巫溪、興山北部地區(qū).而從K來看，庫區(qū)的高值地區(qū)出現(xiàn)在忠縣和萬州地區(qū)，低值則出現(xiàn)在江津南部以及渝東北以及鄂西地區(qū).總體來說，從多年人居環(huán)境適宜性指數(shù)來看，三峽庫區(qū)大部分地區(qū)都屬于人居環(huán)境舒適區(qū).

表2 三峽庫區(qū)多年月平均THI和K值Tab.2 Average monthly THI and K in Three Gorges Reservoir

圖2 三峽庫區(qū)1995－2010年均溫濕指數(shù)(a)和風效指數(shù)(b)分布Fig.2 The distribution of average annual THI(a)and K(b)in Three Gorges Reservoir from 1995 to 2010

2.1.3 人口數(shù)量隨人居氣候適宜性的變化 三峽庫區(qū)的人口變化趨勢［19］表明，截至2008年，除2001年人口略有下降外，其他年份人口呈逐年增加的趨勢，并保持穩(wěn)定的增長速度(圖3).這同樣表明三峽庫區(qū)大部分地區(qū)屬于人居環(huán)境舒適區(qū).由于氣候適宜和庫區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展才會出現(xiàn)人口的穩(wěn)定增加.

2.2 三峽工程蓄水前后氣候適宜性變化分析

三峽工程于2003年6月份開始蓄水發(fā)電，因此本研究以此作為時間中點，對1995年1月至2003年6月以及2003年7月至2010年12月兩個時間段的庫區(qū)氣候適宜性指數(shù)進行對比.庫區(qū)多年月平均氣候適宜性指數(shù)表明，三峽工程對于庫區(qū)氣候適宜性的影響并不大(表3).三峽工程蓄水后的6－8月THI比蓄水前略有減小，其余月份都略有增大;1、2、3、7月的K比以前略有減小，而其他月份略有增大.三峽工程蓄水前后的THI和K發(fā)生了局部變化(圖4).庫區(qū)的THI在渝西地區(qū)幾乎沒有變化，而在萬州、忠縣等庫區(qū)中心地區(qū)以及渝東、鄂西地區(qū)，THI發(fā)生了變化.總體來說，THI的高值區(qū)沿著長江方向，自上游向下游地區(qū)移動;而K則相反，其高值區(qū)自下游向上游地區(qū)移動.這主要是由于三峽庫區(qū)形成以后，庫區(qū)部分地區(qū)，特別是中下游地區(qū)，由過去的河道型氣候轉(zhuǎn)化為湖泊型氣候，因此THI增大，K減小.從人口變化趨勢來看，以2003年為中間點作比較，其仍然保持穩(wěn)定的增長，庫區(qū)蓄水并未對居住環(huán)境產(chǎn)生較大影響.相對于世界上其他地區(qū)的同類水庫，三峽工程對庫區(qū)人居環(huán)境影響不是很大，這主要是由三峽庫區(qū)所屬氣候帶決定的.例如，埃及著名的阿斯旺大壩修筑以后形成的納賽爾湖區(qū)，由于其屬于熱帶沙漠氣候，庫區(qū)形成引起的微小濕度變化反映到溫濕指數(shù)上便被擴大，使庫區(qū)居民產(chǎn)生較大不適感［17-18］，而三峽庫區(qū)屬于中亞熱帶氣候，是高濕度氣候類型，局部濕度的變化不足以對區(qū)域的整體氣候產(chǎn)生很大的影響，因此不會使庫區(qū)居民產(chǎn)生不適感.

圖3 三峽庫區(qū)2000－2008年人口變化趨勢Fig.3 The trend of population of Three Gorges Reservoir during 2000－2008

表3 三峽工程蓄水前后庫區(qū)氣候適宜性指數(shù)Tab.3 The climate suitability index before and after impoundment of Three Gorges Project

圖4 三峽工程蓄水前后庫區(qū)氣候適宜性指數(shù)空間變化Fig.4 The spatial distribution of the climate suitability index before and after impoundment of Three Gorges Reservoir

2.3 氣候適宜性因素與庫區(qū)水位相關(guān)性分析

2.3.1 多年平均值相關(guān)性分析 通過對三峽庫區(qū)三峽大壩段水位與庫區(qū)THI、K以及相關(guān)氣象因子1995－2010年年平均值的相關(guān)性分析表明(表4)，三峽庫區(qū)的水位變化與氣候適宜性因子并沒有十分顯著的相關(guān)性.水位與溫濕指數(shù)呈一定的正相關(guān)，而與風效指數(shù)則呈微弱的負相關(guān).這從一定程度上說明，三峽庫區(qū)的水位變化對庫區(qū)的氣候適宜性指數(shù)有一定的影響，如隨著庫區(qū)水位升高，庫區(qū)湖泊型氣候區(qū)域的面積加大，溫濕指數(shù)增加，風效指數(shù)減小.但是從相關(guān)系數(shù)較小這一方面也說明三峽庫區(qū)水位的改變對于庫區(qū)氣候適宜性指數(shù)的影響不大，幾乎可以忽略不計.

表4 三峽庫區(qū)年均氣候適宜性參數(shù)與庫區(qū)水位相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of annually climate suitability factors and water level in Three Gorges Reservoir

2.3.2 月平均值相關(guān)性分析 三峽工程蓄水前后的庫區(qū)氣候適宜性指數(shù)與對應時間段的庫區(qū)水位月平均值相關(guān)性分析表明，庫區(qū)人居環(huán)境適宜性指數(shù)在蓄水前后有顯著的變化(表5).蓄水前，庫區(qū)水位與THI以及K并無明顯的相關(guān)性，這主要是由于蓄水前長江水體面積相對于庫區(qū)來說較小，水位的變化不足以影響整個庫區(qū)氣象因素的變化;而蓄水后，庫區(qū)水位值與溫濕指數(shù)呈顯著正相關(guān)，而與風效指數(shù)則呈顯著負相關(guān).這是因為三峽水庫建成，水面面積大約比原來增加一倍，隨著庫區(qū)水位升高，庫區(qū)湖泊型氣候區(qū)域的面積加大，因此在一定程度上影響了庫區(qū)氣候因子以及氣候適宜性指數(shù)的變化.

表5 三峽庫區(qū)蓄水前后月均氣候適宜性參數(shù)與庫區(qū)水位相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis of monthly climate suitability factors and water level before and after impoundment of Three Gorges Reservoir

3 結(jié)論

本文利用相關(guān)模型并結(jié)合GIS技術(shù)，計算了三峽庫區(qū)的溫濕指數(shù)和風效指數(shù)，并分析其空間分布規(guī)律及各月氣候的舒適性，特別是將三峽工程蓄水前后的庫區(qū)舒適性進行了對比分析，并參考人居環(huán)境氣候舒適期等指標，評價了三峽庫區(qū)人居環(huán)境的氣候適宜性及其變化.但是從年平均值來看，三峽庫區(qū)的整體人居環(huán)境氣候適宜程度比較高，這說明三峽工程對于庫區(qū)氣候適宜性指數(shù)有一定的影響.通過其人居適宜性指數(shù)與水位月均值的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)人居氣候適宜性指數(shù)在三峽工程蓄水前后發(fā)生了明顯的變化，并隨著庫區(qū)水位的升高，而出現(xiàn)溫濕指數(shù)增大風效指數(shù)減小的趨勢.

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Climate suitability of human settlement in Three Gorges Reservoir

AN Qiang，LONG Tianyu，HUANG Ningqiu，MA Zhipeng，LIU Xingyue＆LI Yufang
(Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-environment，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R.China)

Considering the conditions of temperature，humidity，wind speed and sunshine duration，the temporal and spatial distribution of temperature-humidity index(THI)and wind effect index(K)were calculated at 22 weather stations in the Three Gorges Reservoir catchment from January，1995 to December，2010 based on GIS technology.The general distribution trend on climate suitability for human settlement in Three Gorges Reservoir was analyzed.The change in climate suitability for human settlement was analyzed before and after impoundment based on the first storage stage of the Three Gorges Project in June，2003.Correlation analysis of water level and meteorological elements were also investigated.Results show that the climate is not comfortable from November to March in the next year due to the cold temperature.Similarly，the climate is also not comfortable from June to September due to the hot weather.The average annual THI and K exhibit obvious regional difference.The integrative trend of THI and K decreases progressively from central to east and west areas.Climate suitability has changed obviously since the accomplishment of the Three Gorges Project.The results of Pearson's correlation coefficients showed no correlation between THI，K and water level before June 2006，whereas water level showed significantly positive correlation with THI and negative correlation with K after that time.

Three Gorges Reservoir;climate suitability;temperature-humidity index;wind effect index

＊ 國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2009ZX07104-002)和重慶市自然科學基金項目(CSTC，2011BB7085)聯(lián)合資助.2011－10－17收稿;2011－11－10收修改稿.安強，男，1979年生，講師;E-mail:anqiang@cqu.edu.cn.

＊＊ 通信作者;E-mail:longty128@cqu.edu.cn.