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        貴州省冬季人體舒適度對溫濕環(huán)境的響應(yīng)

        2014-11-08 08:42:32張東海帥士章
        中低緯山地氣象 2014年1期
        關(guān)鍵詞:興義市州平均氣溫

        白 慧,張東海,帥士章

        (1. 貴州省氣候中心,貴州 貴陽 550002;2. 貴州省山地氣候與資源重點實驗室,貴州 貴陽 550002)

        1 引言

        貴州省每年冬季都會有一段低溫濕冷的天氣維持,尤其在相對海拔較高的地區(qū),這是其特殊的地理位置決定的。貴州省地處云貴高原東側(cè)、青藏高原東南坡,是我國地勢第二級階梯東部邊緣的一部分,屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,省之北部邊緣因有高原作屏障,冬季受北方冷空氣的直接影響較小,平均氣溫在3.0~12.0℃之間,但由于整個冬季80%以上的時段全省相對濕度都維持在70%上下,其中海拔較高的省之北部和西部地區(qū)相對濕度較省之中部和東部地區(qū)高,尤其是省之西北地區(qū)達90%以上。在貴州省冬季高相對濕度的氣候背景下,雖然氣溫都維持在0℃以上,但人們通常感覺濕冷,并且體感溫度較實際氣溫低,這是因為空氣導(dǎo)熱率是濕度的函數(shù),隨著濕度的增大而增大,當(dāng)人體皮膚溫度比環(huán)境氣溫高時,人體散熱量在濕空氣中比干空氣中快且多[1]。因此,人體對環(huán)境冷熱的感覺舒適與否,是受多種氣象要素的綜合影響,一般而言,氣溫、相對濕度、風(fēng)速這3個氣象要素對人體感覺影響最大,其中氣溫是判斷人體舒適度的主要指標(biāo),相對濕度和風(fēng)速是輔助指標(biāo),通過影響人體熱散失來影響人體舒適感[2]。因此,對于大眾生活需要建立一種具有主觀和客觀雙重特性和標(biāo)準(zhǔn)的人體舒適度指標(biāo),可以提示公眾根據(jù)氣象因素的變化來及時調(diào)節(jié)生理、適應(yīng)環(huán)境以及采取一些有效防范措施,并盡可能為城市氣象預(yù)報提供一些參考。

        普查1981—2010年貴州省9個市州代表站及其平均狀態(tài)下冬季逐日風(fēng)力等級頻率分布和逐日相對濕度等級頻率分布,發(fā)現(xiàn)貴州省冬季相對濕度較大,出現(xiàn)70%以上量級的頻率達82%,其中海拔較高的省之北部和西部地區(qū)(遵義、七星關(guān)、水城、安順和興義等站)相對濕度較省之中部和東部地區(qū)高(貴陽、都勻、凱里和碧江等站),尤其是七星關(guān)站達93%。同時,全省的風(fēng)速較小,主要集中在輕風(fēng)及以下等級,出現(xiàn)頻率達94%,其中遵義站、七星關(guān)站、水城站、都勻站、凱里站和碧江站輕風(fēng)以下等級占90%以上,貴陽站、安順站和興義站輕風(fēng)以下等級占80%以上。因此,在貴州冬季相對濕度大風(fēng)速小的氣候背景特征下,綜合考慮氣溫和相對濕度對人體舒適度的影響,選用目前運用較為廣泛的人體舒適度指數(shù)IHC[2-3],并討論指數(shù)IHC在貴州省冬季濕冷環(huán)境中對氣溫和相對濕度的響應(yīng)[4-6]。

        2 資料和方法

        選取貴州省9個市州代表站(貴陽、遵義、七星關(guān)、水城、安順、興義、都勻、凱里和碧江)作為討論分析貴州省冬季(12月—次年2月)人體舒適度的研究對象,選取1981—2010年時段內(nèi)日平均氣溫和日平均相對濕度作為構(gòu)建人體舒適度IHC指數(shù)的主要氣象要素。

        人體舒適度IHC指數(shù)計算公式如下:

        式中:IHC為人體舒適度指數(shù);T 為氣溫(單位,℉),其中T(℉)= T(℃)×9/5+32;RH 為相對濕度(單位:%),IHC指數(shù)對應(yīng)的范圍如表1。

        表1 人體舒適度指數(shù)(IHC)

        3 貴州省IHC指數(shù)對溫濕環(huán)境的響應(yīng)

        3.1 IHC指數(shù)的頻率分布

        如圖1,1981—2010年貴州省9個市州代表站的冬季IHC指數(shù)主要集中在39~50 指數(shù)段(-2級),理論頻率占整個冬季時段的60%,同時隨著IHC指數(shù)的增大或減小,相應(yīng)的理論頻率均減小,呈單峰分布,并通過計算偏度系數(shù)g1 為9.48 和峰度系數(shù)g2為-4.75,得到IHC指數(shù)頻率分布的頂峰偏左,坡度較平緩,即IHC指數(shù)呈近似正態(tài)分布。

        圖1 1981—2010年貴州省9個市州冬季IHC指數(shù)的頻率分布圖

        統(tǒng)計1981—2010年貴州省9個市州代表站冬季IHC指數(shù)的頻率等級(表2),發(fā)現(xiàn)9個代表站IHC指數(shù)的頻率分布均呈近似正態(tài)分布,不過西部、北部和東南部地區(qū)(遵義、七星關(guān)、水城、安順和凱里等站)頂峰偏左,而中東部和南部地區(qū)(貴陽、興義、都勻和碧江等站)頂峰偏右,即總體上貴州省西部和北部地區(qū)冬季由于平均氣溫較低、加之平均相對濕度較大,使人體舒適感降低尤為明顯。

        表2 1981—2010年貴州省9個市州代表站冬季IHC指數(shù)的頻率等級統(tǒng)計

        3.2 IHC指數(shù)對影響因子的響應(yīng)

        計算1981—2010年貴州省9個市州冬季逐日IHC與平均氣溫、平均相對濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0.99、-0.51,均通過0.05 信度檢驗,表明低溫、高濕對IHC指數(shù)具有負(fù)貢獻,其中氣溫的高低對IHC指數(shù)影響尤為明顯。由于貴州省冬季平均相對濕度總體達80%,基于這種高濕環(huán)境下對逐日平均氣溫和IHC指數(shù)進行線性擬合,發(fā)現(xiàn)二者擬合度為0.979 6,通過0.05 信度檢驗(圖2)。具體從貴州省9個市州代表站冬季逐日平均氣溫和IHC指數(shù)的擬合度分析,發(fā)現(xiàn)省之中西部地區(qū)(貴陽站、七星關(guān)站、水城站、安順站和興義站)的擬合度較高,且該地區(qū)對應(yīng)的相對濕度也較高。即表明在貴州省冬季相對濕度越高的環(huán)境下,IHC指數(shù)對平均氣溫的變化就具有越高的敏感性,且相對濕度的增加,會使人體舒適感降低。

        圖2 1981—2010年貴州省9個市州冬季逐日平均氣溫—IHC指數(shù)散點圖

        為了進一步定量評價影響因子對IHC指數(shù)的影響,假設(shè)公式(1)中平均氣溫或平均相對濕度為常值時,分別討論分析IHC指數(shù)對平均相對濕度或平均氣溫的響應(yīng):

        由公式(2)知,當(dāng)RH=0 時,△T 的變化不引起△IHC變化;當(dāng)RH>0 時,△IHC對△T 響應(yīng)關(guān)系為正相關(guān)。由公式(3)知,當(dāng)T>14.4℃時,△IHC對△RH響應(yīng)關(guān)系為正相關(guān);當(dāng)T=14.4℃時,△RH 的變化不引起△IHC變化;當(dāng)T<14.4℃時,△IHC對△RH 響應(yīng)關(guān)系為負(fù)相關(guān)。為了比較分析貴州省9個市州代表站冬季△IHC對△T 或△RH 變化的響應(yīng),將1981—2010年各站的逐日IHC指數(shù)、T 和RH 進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,消除同一地區(qū)不同要素間單位的影響以及不同地區(qū)間的同一要素單位量級的影響,從回歸方程出發(fā),得到△IHC對△T=1σ 或△RH=1σ 變化的響應(yīng)(表3)。發(fā)現(xiàn)西部地區(qū)(水城、安順和興義站)△IHC對△T 變化的響應(yīng)較強,△T 的變化為1σ 時,引起△IHC的變化在0.99σ 以上;中西部地區(qū)(七星關(guān)、水城、安順和興義站)△IHC對△RH 變化的響應(yīng)較強,△RH 的變化為1σ 時,引起△IHC的變化在0.50σ 以上。另外,需要指出的是9個代表站都是△IHC對△T 的響應(yīng)較△RH 強,表明影響IHC指數(shù)變化的平均氣溫和平均相對濕度兩個要素中平均氣溫是主要指標(biāo),而相對濕度的變化作為輔助指標(biāo)對IHC指數(shù)有著增大或減小的作用。

        表3 貴州省9個市州IHC指數(shù)對影響因子的響應(yīng)

        4 貴州省冬季IHC指數(shù)與低溫過程的持續(xù)性對比分析

        由于貴州冬季的低溫陰雨天氣主要受穩(wěn)定、少動的滇黔靜止鋒影響,冬季低溫過程具有很強的持續(xù)性,并伴隨高濕特征[9-11],那么貴州省冬季由于平均相對濕度的調(diào)節(jié)作用會增加人體不舒適的持續(xù)性嗎?綜合考慮貴州省冬季80%以上時段平均相對濕度達70%,并且60%以上時段IHC指數(shù)范圍處于39~50(-2級)之間,利用公式(1),假設(shè)RH=70%,IHC=50,計算得到T = 9.0℃,對比分析貴州省9個市州累年(1981—2010年)11月—次年3月逐日IHC指數(shù)穩(wěn)定(5 d 滑動平均)低于或等于50 和平均氣溫穩(wěn)定(5 d滑動平均)低于或等于9.0℃的持續(xù)天數(shù)(圖3)。

        總體上西部和北部地區(qū)的累年逐日IHC指數(shù)穩(wěn)定低于或等于50 持續(xù)時段和平均氣溫穩(wěn)定低于或等于9.0℃的持續(xù)天數(shù)均較長,其中西北部七星關(guān)站的持續(xù)日數(shù)最長,分別達123 d(11月18日—次年3月20日)和115 d(11月19日—次年3月13日);西南部興義站的持續(xù)時間最短,分別為64 d(12月11日—次年2月12日)和53 d(12月18日—次年2月8日)。另外,全省9個市州累年逐日IHC指數(shù)穩(wěn)定低于或等于50 持續(xù)時段均較平均氣溫穩(wěn)定低于或等于9.0℃的持續(xù)天數(shù)長。表明氣候態(tài)下IHC指數(shù)能有效客觀的刻畫出貴州省低溫的持續(xù)性特征,與實際相符,并且能反映出在平均相對濕度較高的環(huán)境下,人體感覺的不舒適持續(xù)日數(shù)增加,即加大了人體的不舒適感。

        圖3 貴州省9個市州累年11月至次年3月逐日IHC指數(shù)分布圖(a)和平均氣溫分布圖(b)

        表4 貴州省9個市州累年11月—次年3月逐日IHC指數(shù)≤50 和平均氣溫≤9.0℃的持續(xù)天數(shù)

        5 結(jié)論

        ①1981—2010年貴州省冬季IHC指數(shù)主要集中在39~50 指數(shù)段(-2級),理論頻率占整個冬季時段的60%,呈近似正態(tài)分布。總體上西部和北部地區(qū)冬季由于平均氣溫較低、加之平均相對濕度較大,使人體舒適感降低尤為明顯。

        ②1981—2010年貴州省冬季低溫、高濕對IHC指數(shù)具有負(fù)貢獻,其中氣溫的高低對IHC指數(shù)影響尤為明顯。通過對貴州省9個市州代表站冬季逐日平均氣溫和IHC指數(shù)的擬合度分析,發(fā)現(xiàn)省之中西部地區(qū)的擬合度較高,且該地區(qū)對應(yīng)的相對濕度也較高。即表明在貴州省冬季相對濕度越高的環(huán)境下,IHC指數(shù)對平均氣溫的變化就具有越高的敏感性,且相對濕度的增加,會使人體舒適感降低。

        ③討論貴州省冬季△IHC對△T=1σ 或△RH=1σ 變化的響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)西部地區(qū)△IHC對△T 變化的響應(yīng)較強,中西部地區(qū)△IHC對△RH 變化的響應(yīng)較強。同時,需要指出的是貴州省冬季△IHC對△T 的響應(yīng)較△RH 強,表明影響IHC指數(shù)變化的平均氣溫和平均相對濕度兩個要素中平均氣溫是主要指標(biāo),而相對濕度的變化作為輔助指標(biāo)對IHC指數(shù)有著增大或減小的作用。

        ④氣候態(tài)下IHC指數(shù)能有效客觀的刻畫出貴州省低溫的持續(xù)性特征,與實際相符,并且能反映出在平均相對濕度較高的環(huán)境下,人體感覺的不舒適持續(xù)日數(shù)增加,即加大了人體的不舒適感。

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