鈔錦龍,顧衛(wèi),劉敏,李穎,梁愛民

(1.太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院,山西 榆次 030619;2.北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;3.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連 116029)

渤海灣沿岸不同規(guī)模城市人體舒適度時(shí)空變化特征

鈔錦龍1,2,顧衛(wèi)2*,劉敏1,李穎3,梁愛民1

(1.太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院,山西 榆次 030619;2.北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;3.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連 116029)

為分析渤海灣沿岸不同規(guī)模城市在城市化進(jìn)程中區(qū)域人體舒適度的時(shí)空變化特征,研究按行政級(jí)別選出三個(gè)規(guī)模級(jí)別城市:直轄市(天津);地級(jí)市(唐山、滄州、東營);縣級(jí)市(縣)(霸州、黃驊、樂亭、饒陽及惠民)。依據(jù)各城市1980-2013年間氣溫、相對(duì)濕度及風(fēng)速的月平均值,計(jì)算出各城市1980-2013年間各月份人體舒適度指數(shù)(HCI)。結(jié)果表明:渤海灣沿岸4月～6月上旬及8月上旬～10月上旬為區(qū)域城市人體感覺舒適時(shí)段。為分析不同規(guī)模城市人體舒適度在冷、熱季的差異,以人體舒適區(qū)(51≤HCI≤75)為界將年內(nèi)其余時(shí)段分為冷季和熱季，結(jié)果顯示:不同規(guī)模城市間人體舒適度的差異在冷季差異較大,熱季差異較小;冷季,1980-1996年間海陸差異明顯,1997-2013年間卻呈現(xiàn)出明顯的斑塊狀;熱季,人體舒適度空間分布格局在前后兩個(gè)時(shí)段無明顯變化,均表現(xiàn)為海陸梯度漸變特征。

渤海灣;不同規(guī)模城市;人體舒適度指數(shù);時(shí)空變化

0 引言

隨著城市化的發(fā)展,人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)在區(qū)域間的流動(dòng)和遷移日益頻繁,作為人口和產(chǎn)業(yè)活動(dòng)高度集聚的沿海地區(qū),區(qū)域城市人居環(huán)境在城市化推進(jìn)過程中發(fā)生相應(yīng)的變化。伴隨城市規(guī)模及建筑密度的增大,住宅、交通等非農(nóng)業(yè)用地比例上升,而農(nóng)用地、林地及草地面積不斷縮小。下墊面性質(zhì)的改變會(huì)引起區(qū)域內(nèi)氣象要素發(fā)生相應(yīng)的時(shí)空變化。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)通過先后五次對(duì)全球氣候變化的評(píng)估指出:全球氣溫在近100年來逐漸變暖，其中北半球中高緯度地區(qū)為氣溫上升最劇烈地區(qū)。而作為擁有世界人口90%的北半球來說,其人口又集中分布在20°N-40°N的亞熱帶和溫帶地區(qū),沿海平原地區(qū)尤為集中。中國擁有緯度位于4°N-53°N,長(zhǎng)度達(dá)1.8萬km的大陸海岸線,沿海地區(qū)以其優(yōu)越的自然條件和政府的支持,吸引了大批人口和產(chǎn)業(yè)向海岸帶地區(qū)聚集。我國約有4億多人口生活在沿海地區(qū),創(chuàng)造了60 %以上的國民生產(chǎn)總值[1]。

渤海灣地區(qū)作為京津海上門戶、華北海運(yùn)樞紐之地,在環(huán)渤海地區(qū)整體發(fā)展戰(zhàn)略中優(yōu)勢(shì)明顯,人口及產(chǎn)業(yè)不斷聚集使區(qū)域內(nèi)土地利用方式和下墊面性狀發(fā)生顯著變化,尤其是國家級(jí)開發(fā)區(qū)的建設(shè)及區(qū)域城市化水平的提升,使區(qū)域下墊面氣象要素隨之發(fā)生改變。石龍宇等針對(duì)沿海地區(qū)城市土地利用方式的轉(zhuǎn)變及城市化過程進(jìn)行研究,何春陽等借助于遙感技術(shù)及國際上先進(jìn)的夜間燈光MODIS數(shù)據(jù)分析區(qū)域城市化進(jìn)程[3-6]。隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展,研究區(qū)農(nóng)用地及具有調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、降低區(qū)域污染的濱海濕地面積日益減少,這對(duì)海岸帶灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng),尤其是人類居住周邊環(huán)境產(chǎn)生巨大的破壞作用；同時(shí),隨著公眾對(duì)于人居環(huán)境的關(guān)注與重視,區(qū)域人居環(huán)境的時(shí)空變化特征,尤其是直接影響人體感知的氣象舒適度備受關(guān)注。相關(guān)學(xué)者已就城市化進(jìn)程中下墊面性質(zhì)改變對(duì)區(qū)域內(nèi)熱量和水分條件的影響做出大量實(shí)證研究[7-16]，結(jié)果表明：人類居住環(huán)境氣候舒適度主要受區(qū)域水熱條件狀況影響。此外,利用主要?dú)庀笠胤从硡^(qū)域水熱狀況已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域氣候?qū)θ梭w健康的影響評(píng)價(jià)、人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)以及人體舒適度指數(shù)的計(jì)算[17-21],并且受到了極大的認(rèn)可，然而有關(guān)渤海灣沿岸區(qū)不同規(guī)模城市人體舒適度在區(qū)域城市化進(jìn)程中表現(xiàn)出的時(shí)空變化特征研究較少。本研究以渤海灣沿岸地區(qū)9個(gè)不同規(guī)模城市為研究對(duì)象,選取各城市1980-2013年氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度月均值數(shù)據(jù),計(jì)算分析渤海灣沿岸地區(qū)不同規(guī)模城市人體舒適度時(shí)空變化特征,以期為合理開發(fā)渤海灣沿岸地區(qū)提供相應(yīng)借鑒；同時(shí),城市內(nèi)部人體舒適度時(shí)空變化特征也可作為城市總體規(guī)劃及建設(shè)格局的依據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)。

1 區(qū)域概況

渤海灣為三面環(huán)陸的半封閉性海灣,緯度約為38°05′N-39°13′N,由于靠近蒙古高原,氣候?yàn)轱@著的大陸性季風(fēng)氣候,冬寒夏熱,四季分明,氣溫年變差大,降水集中在夏季,其中7、8月份降水量約占年降水量的64%-68%。研究區(qū)多為河流沖積平原,地形平坦開闊,交通便利,為區(qū)域的快速發(fā)展提供了必要的前提條件。

Fig.1 The spatial distribution and elevation of the selected cities圖1 所選城市空間分布及區(qū)域高程示意圖

近些年,國家海洋戰(zhàn)略的提出為渤海灣沿海地區(qū)的發(fā)展提供一次良好的機(jī)遇。渤海灣作為京津海上門戶、華北海運(yùn)的樞紐,是環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐。隨著港口航運(yùn)、礦產(chǎn)與能源開發(fā)以及工業(yè)和城鎮(zhèn)的快速發(fā)展,渤海灣地區(qū)已成為我國北部沿海的重要港口物流基地,“十二五”期間作為環(huán)渤海區(qū)域經(jīng)濟(jì)核心區(qū),為區(qū)域經(jīng)濟(jì)實(shí)力和戰(zhàn)略地位的提升做出較大貢獻(xiàn)。

研究所選9個(gè)城市均位于渤海灣沿岸平原,平均海拔約為10 m,且各城市距海岸較近,分別為天津市、唐山市、滄州市、東營市、霸州市、黃驊市、樂亭縣、饒陽縣以及惠民縣,其中除霸州市和饒陽縣之外,其余7個(gè)城市均在距海岸75 km范圍之內(nèi),均會(huì)受到海陸風(fēng)的影響[22]。在海拔、地形特征及氣候背景相似的前提下,城市間的水熱條件差異會(huì)因城市規(guī)模而不同，其中,所選城市按行政級(jí)別分為三個(gè)不同等級(jí):直轄市(天津市),地級(jí)市(唐山市、滄州市和東營市),縣級(jí)市(縣)(霸州市、黃驊市,樂亭縣、饒陽縣和惠民縣)(圖1)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

各城市1980-2013年各月平均氣溫、平均相對(duì)濕度及平均風(fēng)速均來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，還查閱中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒、中國縣(市)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒以及各城市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)等。

2.2 研究方法

人體舒適度指數(shù)(Human Comfort Index，HCI)是建立在氣象要素預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,是反映多數(shù)人群身體感受的綜合氣象指標(biāo)。有關(guān)其計(jì)算方法較多,本研究采用可適用于我國北方城市的計(jì)算模型[22-24]，公式如下:

(1)

式中,t為平均氣溫(℃),f為相對(duì)濕度,v為風(fēng)速(m/s)。HCI分為9級(jí),當(dāng)值為59-70范圍內(nèi)時(shí)為0級(jí),人體感覺最為舒適。當(dāng)值>75或<50時(shí),人體會(huì)因感覺偏熱或偏涼而感覺不舒適。HCI∈[50,59)∪(70,75]時(shí),人體感覺較為舒適,具體分級(jí)見表1。

表1 人體舒適度指數(shù)等級(jí)

人體舒適度主要是根據(jù)人類機(jī)體與大氣環(huán)境間的熱交換而制定的生物氣象指標(biāo)。HCI綜合考慮主要?dú)庀笠貙?duì)人體舒適感的影響,通過HCI計(jì)算值來間接判斷區(qū)域人居氣象環(huán)境的優(yōu)劣。HCI的高低受城市內(nèi)部水熱條件組合的優(yōu)劣決定。

在分析區(qū)域人體舒適度的空間變化時(shí),為體現(xiàn)不同城市化發(fā)展階段人體舒適度空間分布特征的差異,將研究時(shí)段平均分為前后兩個(gè)時(shí)段:1980-1996年;1997-2013年。用Arcgis軟件做出研究區(qū)城市在前后兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的人體舒適度空間分布,以表征在區(qū)域不同發(fā)展階段不同規(guī)模城市內(nèi)部人體舒適度的空間變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 人體舒適度年內(nèi)變化特征

依據(jù)公式(1)計(jì)算得出所選城市1980-2013年間HCI年內(nèi)各月份的平均值。依據(jù)HCI劃分標(biāo)準(zhǔn),得出人體感覺較為舒適時(shí)段為:4月～6月上旬及8月上旬～10月上旬(圖2)。

Fig.2 Monthly mean HCI and the division of the HCI among the year for selected area during 1980-2013圖2 1980-2013間研究區(qū)各城市HCI月均值及人體舒適度年內(nèi)劃分

由于研究區(qū)緊鄰海洋,且處于世界上最大海洋與陸地的交界處，冷暖季盛行風(fēng)有明顯差異。區(qū)域城市內(nèi)部在冷暖季條件下人體舒適度也會(huì)呈現(xiàn)較為明顯的地域特色。因此,為了分析不同規(guī)模城市間人體舒適度受冷、暖季的影響,以人體最舒適區(qū)(59≤HCI≤70)為分界,取高于舒適區(qū)時(shí)段為熱季,其時(shí)段內(nèi)各月份人體舒適度指數(shù)均值為熱季舒適度指數(shù)HI(Hot Index);低于最舒適區(qū)為冷季,其時(shí)段內(nèi)各月份人體舒適度指數(shù)均值為冷季舒適度指數(shù)CI(Cold Index)。此外，分別計(jì)算1980-1996年與1997-2013年HI、CI值,分析不同城市化階段因城市化水平不同而呈現(xiàn)出的人體舒適度在冷季、暖季的差異。以此反映出不同城市化水平下的城市水熱條件在冷季與暖季對(duì)人體舒適度的差異影響。

3.2 不同規(guī)模城市人體舒適度時(shí)間變化特征

從圖3可以看出,不同規(guī)模城市人體舒適度會(huì)因城市化水平不同而有差異,且差異程度會(huì)因冷熱季的不同而變化?？偟膩碚f,直轄市人體舒適度整體呈下降趨勢(shì),而地級(jí)市和縣級(jí)市(縣)表現(xiàn)為波動(dòng)性上升。其中地級(jí)市上升率最大，這與諾瑟姆關(guān)于城市化進(jìn)程規(guī)律的理論相符合[30]。地級(jí)市處于城市化的高速發(fā)展階段,人類對(duì)城市下墊面的干預(yù)強(qiáng)度最高,大批人口的遷入和非農(nóng)用地的迅速增多,城市“熱島效應(yīng)”表現(xiàn)明顯,從而影響了城市氣象要素變化特點(diǎn),改變了城市的人體舒適度。直轄市由于城市化水平較高(接近70%),城市發(fā)展進(jìn)入成熟期,隨著城市內(nèi)部綠地面積的增多及合理的城市規(guī)劃,城市通過潛熱和顯熱向外的熱排放逐漸增多,從而緩和“熱島效應(yīng)”，如水體、綠地面積的增多,新型可滲透路面的鋪設(shè)以及城市風(fēng)道的設(shè)計(jì)。

注:地級(jí)市2008年開始HI下降是由于東營市氣象觀測(cè)站由原來東營市遷于墾利縣所致Fig.3 Changing characteristics of human comfort index in cold and hot seasons in different cities圖3 不同規(guī)模城市冷、熱季人體舒適度指數(shù)變化特征

不同規(guī)模城市間人體舒適度的差異在冷、熱季也呈現(xiàn)出較大差異,表現(xiàn)為:冷季差異大,熱季差異小。這與研究區(qū)地處于渤海西岸,深受季風(fēng)影響有關(guān),尤其是海陸風(fēng)的影響。渤海西岸地區(qū),冬季海陸風(fēng)持續(xù)時(shí)間比較短,夏季較長(zhǎng),且夏季海岸帶與內(nèi)陸的風(fēng)速差大于冬季[25],加之所選城市基本處于距海75 km的范圍內(nèi),這使得熱季時(shí)段區(qū)域因受海洋的均勻化影響從而減弱了不同規(guī)模城市間的人體舒適度差異；同時(shí),還與研究區(qū)氣溫在不同季節(jié)內(nèi)的變化特點(diǎn)密切相關(guān):春秋季氣溫變化幅度較大且迅速,夏季氣溫變化緩慢[31],這使得區(qū)域城市內(nèi)部熱量因素的變化呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。

由于9個(gè)城市中有5個(gè)城市為縣級(jí)市(縣),相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不易獲取,依據(jù)年鑒及公報(bào)*注:數(shù)據(jù)來源于依據(jù)中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒、中國縣(市)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒以及各城市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)等數(shù)據(jù)并參考城市化水平的定義[26-29],根據(jù)非農(nóng)人口所占總?cè)丝诒戎氐贸龈饕?guī)模城市城市化水平(圖4)。

Fig.4 The urbanization process of each city in the study area圖4 研究區(qū)各城市城市化水平進(jìn)程

依據(jù)圖4的城市化水平,把所選城市分為3級(jí)是合理、客觀的。從圖4可以看出:直轄市、地級(jí)市及縣級(jí)市(縣)之間的城市化水平差異明顯，其中直轄市城市化水平最高,但城市化進(jìn)入成熟期,發(fā)展速度較緩慢;地級(jí)市城市化水平居中,但在政府政策的指導(dǎo)下,擁有較強(qiáng)實(shí)力且發(fā)展空間廣闊的地級(jí)市城市化發(fā)展速度強(qiáng)勁;而縣級(jí)市(縣)由于資金等條件的制約,城市化水平較低,但在國家鼓勵(lì)中小城市發(fā)展的政策支持下,地方政府充分發(fā)揮當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì),城市化水平在近十年來發(fā)展較快,尤其是縣級(jí)市。

3.3 不同城市化階段人體舒適度空間變化特征

Fig.5 Spatial distribution of HCI in different urbanization stages of study area under the conditions of cold and warm seasons(a,b: cold season; c,d: hot season)圖5 冷暖季條件下研究區(qū)不同城市化階段人體舒適度空間分布特征(a,b為冷季;c,d為熱季)

為分析人體舒適在空間內(nèi)的變化特征,依據(jù)研究區(qū)域城市化過程的發(fā)展特點(diǎn),把研究時(shí)段分為前后兩段:1980-1996、1997-2013。分別取不同規(guī)模城市在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)HI均值和CI均值作為不同城市化水平下的人體舒適度值,結(jié)果表明:渤海灣沿岸區(qū)域城市內(nèi)部人體舒適度在不同城市化階段的空間分布差異冷季大于熱季,同時(shí)在城市化發(fā)展不同階段冷熱季人體舒適度空間格局變化差異較大(圖5)。

在冷季(1980-1996年)城市人體舒適度具有明顯的海陸差異變化,說明此時(shí)段自然的海陸差異大于人類活動(dòng)引起的下墊面改變所致的差異;1997-2013年,人體舒適度空間分布特征呈現(xiàn)出明顯的局域化。其中距海較遠(yuǎn)的滄州、饒陽和霸州以及城市化發(fā)展速度最快的東營市成為人體舒適度較高的地區(qū),這主要因在城市化過程中,人口、交通運(yùn)輸及各類產(chǎn)業(yè)廢熱的排放,尤其是受區(qū)域所在北方城市冬季取暖的影響,使城市化水平較高的地區(qū)城市氣溫升高。同時(shí),建筑密度增大,尤其是不合理的城市規(guī)劃建筑會(huì)阻擋風(fēng)穿過城市的能力,不利于城市廢熱和濕氣的釋放,從而提高城市冷季的人體舒適度。在熱季,區(qū)域城市人體舒適度在前后城市化階段雖然總體有所上升,但空間的分布格局變化小。前后兩個(gè)時(shí)段仍表現(xiàn)為明顯的海陸差異梯度變化,即人體舒適度自海向內(nèi)陸呈“C”型或經(jīng)向型升高,且過渡特征在1997-2013年更加明顯。這與研究區(qū)在暖季氣溫、濕度和風(fēng)速受海陸風(fēng)的影響有關(guān)。隨著距海距離的增大,風(fēng)速、濕度減小,溫度升高,HCI值增大。1980-1996年,由于自然植被覆蓋度高,尤其是東營所在的黃河入?？跒I海濕地的大面積分布,使水熱條件除受海陸格局的影響外,還受下墊面的較大影響。隨著城市化的發(fā)展,大面積的草-林地、農(nóng)用地及天然濕地被開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榉寝r(nóng)用地,下墊面性質(zhì)劇烈改變干預(yù)了區(qū)域內(nèi)部熱量和水分的平衡,從而改變了城市人體舒適度。表現(xiàn)為1997-2013年區(qū)域水分來源主要受海洋影響,加大海陸差異。

總體來說,渤海灣沿岸區(qū)域處于季風(fēng)區(qū),冬季受來自西北內(nèi)陸的冷干氣團(tuán)控制,寒冷干燥。夏季受來自太平洋副熱帶海洋的氣團(tuán)控制,高溫濕潤(rùn)。在年內(nèi)具有明顯的冷季和暖季之分。其中海洋無論在暖季還是冷季,均對(duì)沿海城市溫度和濕度具有調(diào)節(jié)作用。這些城市受海陸風(fēng)的影響,海洋的作用暖季明顯大于冷季,從而使暖季人體舒適度的空間分布較冷季具有明顯的海陸差異。

4 結(jié)論

(1)通過人體舒適度指數(shù)(HCI)計(jì)算結(jié)果,得出渤海灣沿岸城市區(qū)域內(nèi)人體感知舒適時(shí)段為4月-6月上旬及8月上旬-10月上旬。以上兩個(gè)時(shí)段氣溫較為溫和,降水量適中,風(fēng)速較大,人體感知較為舒適。

(2)人體舒適度變化特征因城市規(guī)模有差異:直轄市在1980-2013年間整體呈下降趨勢(shì);地級(jí)市和縣級(jí)市(縣)表現(xiàn)為波動(dòng)上升。其中城市化發(fā)展速度最快的地級(jí)市上升幅度最大,不利于人類居住舒適度的提升。此外,受海陸風(fēng)的影響,不同規(guī)模城市間人體舒適度的差異在冷季較大,熱季差異小。

(3)在城市化發(fā)展的不同階段,人體舒適度空間格局在冷、熱季差異較大。冷季,區(qū)域城市內(nèi)部人體舒適度在1980-1996年間表現(xiàn)為明顯的海陸差異變化,但1997-2013年間呈現(xiàn)出明顯的地域化;熱季,區(qū)域城市內(nèi)部人體舒適度在后一時(shí)段雖然總體有所上升,但空間的分布格局變化較小,表現(xiàn)為明顯的海陸差異梯度變化,即自海向內(nèi)陸呈“C”型或經(jīng)向型升高。

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Spatial and Temporal Variation of the Human Comfort in Different Size Cities Along the Bohai Bay Coastal Area

CHAO Jinlong1,2,GU Wei2*,LIU Min1,LI Ying3,LIANG Aimin1

(1.College of Geographical Science, Taiyuan Normal University, Yuci 030619,China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,Beijing Normal University, Beijing 100875,China;3.Institute of Urban and Environmental Sciences, Liaoning Normal University, Dalian 116029,China)

In order to explore the temporal and spatial variation of the human comfort under the urbanization process in different size cities along the Bohai Bay coastal area, cities named Tianjin (Municipalities), Tangshan, Cangzhou, Dongying (prefecture-level), Bazhou, Huanghua, Laoting, Raoyang, Huimin (county-level) were selected according to the administrative level.Human Comfort Index (HCI) was calculated based on monthly average of air temperature, relative humidity and wind speed during 1980-2013. According to the HCI, April-early June and early August-early October are the most comfortable period along the Bohai Bay coastal area. Set the most comfortable zone (51≤HCI≤75) as a dividing line, the other periods were divided into Hot Index (HI) and Cold Index (CI). The results show that the difference gap of human comfort in different scales cities is different, a large in cold season, small in hot season.The spatial changes pattern of human comfort in hot and cold seasons are quite different: In cold season, there appeared an obvious differences between land and sea from 1980 to 1996, whereas an obvious localization from 1997 to 2013; In hot seasns, the spatial distribution pattern changed little, both showed a significant land and sea gradient at two stages.

Bohai bay;different size cities;human comfort index;temporal and spatial Variation

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.02.028

2016-12-07；

2017-01-13

國家863計(jì)劃課題(編號(hào):2011AA100505); 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(編號(hào):2014-ZY-01)

鈔錦龍,男,山西呂梁人,博士,主要從事海岸帶自然資源開發(fā)與利用。

*通信作者：顧衛(wèi)(GU Wei),E-mail:weigu@bnu.edu.cn

P9；C912.81；X21

A

0253-2395(2017)02-0388-07