孔德亞，黃建武，王維高，劉子豪

(1.華中師范大學(xué)地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079 2.華中師范大學(xué)可持續(xù)發(fā)展研究中心，湖北 武漢 430079)

氣候是重要的資源，是人們出行考慮的重要因素。適宜的氣候不僅適宜旅游活動(dòng)，而且對(duì)于出行人的身體健康具有重要影響。氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速等氣象要素對(duì)人體舒適感覺的影響最大[1]。考慮溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的單因素以及綜合要素對(duì)氣候舒適度的影響很有必要。宜昌市位于湖北省西部,是湖北省屬副中心城市，人文旅游資源豐厚富足[2]，境內(nèi)有4處國(guó)家5A級(jí)旅游景區(qū)，數(shù)量居全國(guó)城市第四,是優(yōu)秀的旅游城市。該市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季空氣濕潤(rùn)，是高溫、強(qiáng)光照季節(jié)[3]。同時(shí)夏季是旅游的旺季，也是人體對(duì)舒適度最敏感的季節(jié)[4]。對(duì)宜昌市夏季氣候舒適度的特征進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，可以為宜昌市旅游規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用氣象資料來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，選取宜昌國(guó)家基準(zhǔn)氣候站(111°31′ E,30°73′N,海拔133.1 m)1986—2015年間夏季氣象資料(氣溫、風(fēng)速、濕度)進(jìn)行分析。季節(jié)劃分以6～8月為夏季。

1.2 研究方法

在本文中主要采用模糊評(píng)判和人體舒適度指數(shù)計(jì)算模型兩種方法,都是主要基于氣溫、風(fēng)速和濕度三種氣象要素的氣候舒適度評(píng)價(jià)方法。氣候舒適度受多種氣象要素的影響,要素之間相互聯(lián)系,不同要素對(duì)舒適度的影響程度不同,所以問題本身很復(fù)雜。模糊評(píng)判[5-7]是解決這種問題的有效方法，對(duì)多因素多層次的復(fù)雜問題評(píng)判效果較好。人體舒適度指數(shù)計(jì)算模型則主要是考慮了氣溫、風(fēng)速、濕度等氣象要素對(duì)人體的綜合作用[8]，通過公式計(jì)算和舒適度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)確定氣候舒適度情況。模糊評(píng)判和人體舒適度指數(shù)計(jì)算模型都能考慮氣溫、風(fēng)速和濕度的綜合影響，只是模糊評(píng)判先給與氣溫、風(fēng)速和濕度不同權(quán)重系數(shù)，還可以分析出各單因素的影響。

1.2.1 模糊評(píng)判

對(duì)宜昌市夏季氣候舒適度的評(píng)價(jià)采用模糊評(píng)判的方法，選取該市1986—2015年夏季逐日平均氣溫、平均風(fēng)速和平均相對(duì)濕度作為評(píng)價(jià)的氣象要素。選定因素的論域?yàn)閁=(氣溫t，風(fēng)速v，相對(duì)濕度f)。評(píng)價(jià)的論域?yàn)锳=(很舒適B1，舒適B2，較舒適B3，不舒適B4)。

參照參考文獻(xiàn)[9]， 以平均氣溫24 ℃、平均風(fēng)速2 m/s以及相對(duì)濕度70%作為人體最舒適的小氣候條件。根據(jù)宜昌市氣候特點(diǎn)以及王雁等[10]對(duì)湖北省夏季模糊評(píng)判所采取的的指標(biāo)，把氣溫24 ℃、風(fēng)速 2 m/s和適度70%作為最舒適小氣候。對(duì)宜昌市溫度、風(fēng)速和濕度要素建立的隸屬函數(shù)方程如下。

(1)

(2)

(3)

將氣象要素值分別代入各隸屬函數(shù)方程，求出氣溫、風(fēng)速和濕度的隸屬函數(shù)值。根據(jù)文獻(xiàn)[10]將隸屬函數(shù)值的大小規(guī)定為：U≥0.85很舒適；0.85>U≥0.75舒適；0.75>U≥0.60較舒適；U<0.60不舒適。

建立U到A的單因素評(píng)判矩陣R，R中每個(gè)元素是U中各個(gè)因素隸屬函數(shù)值對(duì)應(yīng)A中各個(gè)等級(jí)的個(gè)數(shù)在該因素中所占的百分比。

例如以宜昌市1998年7月份資料為依據(jù)，把7月份逐日氣象要素代入(1)、(2)、(3)式中，根據(jù)上述隸屬值大小規(guī)定的舒適度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，宜昌市7月份各氣象要素屬于很舒適、舒適、較舒適、不舒適的次數(shù)分別為1、3、10、16；6、8、9、7；16、8、4、2。其在30年記錄中所占百分比分別為 0.033、0.100、0.333、0.533；0.200、0.267、0.300、0.233；0.533、0.267、0.133、0.067；所以，宜昌市1998年7月夏季單因素評(píng)價(jià)矩陣為：

所以，同理可以得到宜昌市1986—2015年夏季單因素評(píng)價(jià)矩陣：

人體對(duì)氣候環(huán)境的感覺是受多種氣象因素影響的綜合反應(yīng)，這就需要做出綜合評(píng)判。其中影響人體舒適度的多種要素并不是同等重要，經(jīng)過前人研究及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[10-12]，選取氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度3種氣象要素對(duì)夏季人體舒適度影響的權(quán)重分配為(0.60,0.20,0.20)，建立U的一個(gè)模糊子集V,由B=V·R得出人體舒適度的綜合評(píng)判結(jié)果，見表1。

表1 宜昌市夏季舒適度模糊評(píng)判(1986—2015年)Table 1 Fuzzy evaluation of summer comfortability in Yichang (from 1986 to 2015)

1.2.3 氣候舒適度結(jié)果分析

綜合評(píng)判的前3項(xiàng)之和(B1+B2+B3)表示氣候環(huán)境的宜人程度。宜昌市6月份的平均氣溫為25.4 ℃，很接近人體感覺最舒適的溫度，在3個(gè)月份中很舒適指數(shù)最高達(dá)到0.412，不舒適指數(shù)也最低為0.251，前3項(xiàng)之和為0.749，宜人程度高。整體看宜昌市6月份氣候舒適性較好。7月份平均氣溫為27.9 ℃，平均相對(duì)濕度為80%。不舒適指數(shù)是3個(gè)月中最高值為0.413，很舒適指數(shù)為0.3，舒適和較舒適指數(shù)都為0.1左右，舒適度指數(shù)比6月份減少較多，說明7月份氣候舒適性總體不如6月份。8月份平均氣溫為27.2 ℃，平均相對(duì)濕度為78%。很舒適指數(shù)在0.3左右，不舒適指數(shù)為0.374，8月份的氣候舒適性比7月份有所提高。從宜昌市夏季綜合情況來看，前3項(xiàng)之和為0.65，不舒適指數(shù)為0.35，總體看宜人程度較好。由宜昌市1986—2015年夏季單因素評(píng)價(jià)矩陣可以看出，氣溫、風(fēng)速和濕度造成的不舒適指數(shù)分別為0.416、0.321和0.167。所以宜昌市夏季不舒適性主要由氣溫造成的、其次是風(fēng)速、最后是濕度。

1.3 人體舒適度指數(shù)

人體舒適度指數(shù)ICHB是運(yùn)用較為普遍的評(píng)價(jià)模型。其人體舒適度指數(shù)公式如下。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

(4)

其中，t為氣溫，℃；HR是相對(duì)濕度，%；V是平均風(fēng)速，m/s。

表2 宜昌市人體舒適度指數(shù)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classified standards of human comfort index ICHB in Yichang

從圖1中可以看出宜昌市1986—2015年夏季人體舒適度指數(shù)的變化情況，6～8月份的ICHB范圍分別是68～74、71～77、70～76，感覺程度基本為偏熱、較熱和熱的氣候。其中在30年中6月份偏熱年份占到10%，較熱年份占到90%。7月份的平均人體舒適度指數(shù)最高，30年中較熱年份占到90%，熱的年份占到10%，7月份年氣候舒適度較差。8月份在30年中都是較熱的年份?？梢钥闯?月份明顯比7、8月氣候舒適性較好。這與綜合評(píng)判得出結(jié)論相同。另外，除8月份有略微下降趨勢(shì)外。在30年中宜昌市夏季人體舒適指數(shù)變化不明顯。

圖1 宜昌市1986—2015年夏季人體舒適指數(shù)年際變化Fig.1 Annual variation of summer human body comfort index in Yichang from 1986 to 2015

1.3.1 通徑分析法

氣溫、風(fēng)速、濕度是對(duì)人體舒適度影響最為重要的因素，但這3種因素對(duì)人體舒適感的影響并不相同，從綜合評(píng)判法給予這三種要素的權(quán)重分配中也可以看出，其作用程度因時(shí)因地而異。所以采用通徑分析法對(duì)溫度、風(fēng)速、濕度與ICHB之間的關(guān)系進(jìn)行比較，分析出每一個(gè)影響因子對(duì)ICHB的直接影響以及一個(gè)影響因子通過另一個(gè)影響因子對(duì)ICHB產(chǎn)生的間接影響。進(jìn)而，可以驗(yàn)證綜合評(píng)判法給予氣溫、風(fēng)速和濕度不同的權(quán)重系數(shù)是否適合。

通徑分析法(path analysis)[13]是簡(jiǎn)單相關(guān)分析的延續(xù)，是在多元回歸的基礎(chǔ)上將相關(guān)系數(shù)加以分解，通過直接通徑、間接通徑系數(shù)分別表示某一變量對(duì)因變量的直接作用效果以及通過其他變量對(duì)因變量的間接作用效果[14]。通徑分析是把每一個(gè)自變量xi與因變量y的相關(guān)系數(shù)ri，分解成xi對(duì)y的直接通徑系數(shù)ki和xi通過其他變量xj對(duì)y的間接通徑系數(shù)rjikj[15]。

從表3得知，溫度與ICHB之間存在非常顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.874。風(fēng)速和濕度與ICHB呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.524和-0.430。溫度的直接通徑系數(shù)最大，達(dá)到了0.838，說明溫度對(duì)ICHB的正影響最大。風(fēng)速的直接通徑系數(shù)為負(fù)值，說明風(fēng)速對(duì)ICHB產(chǎn)生負(fù)影響。風(fēng)速通過溫度對(duì)ICHB的間接通徑系數(shù)也為負(fù)值，且絕對(duì)值非常小，表明風(fēng)速通過溫度對(duì)ICHB的間接影響較小。溫度和濕度通過風(fēng)速對(duì)ICHB的間接影響也非常小，所以宜昌市風(fēng)速對(duì)人體舒適度指數(shù)的間接影響非常小，對(duì)人體舒適度的直接影響則為負(fù)作用。濕度與ICHB的直接通徑系數(shù)非常小，而濕度通過溫度對(duì)ICHB的間接影響的絕對(duì)值可以達(dá)到0.419 8，說明濕度對(duì)ICHB的負(fù)影響是通過溫度間接產(chǎn)生的，而對(duì)ICHB的直接影響較小。3個(gè)影響要素中，溫度直接影響ICHB，且主要為正作用；濕度則通過溫度間接影響ICHB；而風(fēng)速直接影響ICHB為負(fù)作用，通過溫度對(duì)ICHB的間接影響較小。這與綜合評(píng)判法一樣，都是溫度對(duì)人體舒適度的影響最大。

表3 人體舒適度指數(shù)與溫度、風(fēng)速和濕度的通徑系數(shù)Table 3 Path coefficient of ICHB with temperature, wind speed and humidity

從表3中看出,風(fēng)速與溫度和濕度的間接影響較小，且直接影響為負(fù)值,所以探討不考慮風(fēng)速情況下溫度和濕度與人體舒適度的通徑系數(shù)。從表4中可以看出,溫度和濕度與ICHB的相關(guān)系數(shù)與表3相同。溫度的直接通徑為0.887，說明不考慮風(fēng)速情況下溫度對(duì)ICHB直接正影響有所提高。濕度的直接通徑系數(shù)依然為0.011,濕度通過溫度對(duì)ICHB間接通徑系數(shù)為-0.440 4，比表3也有所提高?？梢钥闯鲈诓豢紤]風(fēng)速情況下，溫度、濕度與ICHB的通徑系數(shù)與在考慮風(fēng)速情況下的通徑系數(shù)變化不大。而且,在表3中宜昌市風(fēng)速對(duì)ICHB的影響為負(fù)作用，所以宜昌市風(fēng)速可以看做不是ICHB的影響因素。

表4 人體舒適度指數(shù)與溫度和濕度的通徑系數(shù)Table 4 Path coefficient of ICHB with temperature and humidity

1.3.2 宜昌市夏季較熱天數(shù)

夏季是人們出行的高峰期，同時(shí)也是人體對(duì)舒適度最為敏感的季節(jié)。分析出夏季較熱的天數(shù)可以給公眾提供具體參考的信息。

圖2給出了宜昌市夏季人體感覺較熱(舒適度等級(jí)為7級(jí)) 天數(shù)的時(shí)間序列?？梢钥闯?，在1986—2015年，宜昌市夏季較熱天數(shù)為明顯的上下波動(dòng)變化而無明顯的上升和下降趨勢(shì)。6、7和8月份平均較熱天數(shù)分別為18 d、19 d和21 d。6月份較熱天數(shù)≥15 d的年份占到83%，較熱天數(shù)≥20 d的年份占到33%，較熱天數(shù)≥25 d的年份占到6%。其中2002年較熱天數(shù)為30年來的最高值，高達(dá)26 d，2015年較熱天數(shù)為30年以來的最低值，只有5 d。 7月份平均較熱天數(shù)在1990和2013年是最低值為10 d，而在1995—2010年平均較熱天數(shù)基本保持在20 d左右，2008年較熱天數(shù)最高達(dá)到了29 d，其中較熱天數(shù)≥15 d的年份占到95%，較熱天數(shù)≥20 d的年份占到37%，較熱天數(shù)≥25 d的年份占到13%。8月份較熱天數(shù)上下波動(dòng)變化較大。其中較熱天數(shù)≥15 d的年份占到83%，較熱天數(shù)≥20 d的年份占到70%，較熱天數(shù)≥25 d的年份占到33%。其中2000年較熱天數(shù)是最高值，高達(dá)29 d，2003年平均較熱天數(shù)為最低值，有10 d。通過分析可以看出，8月份的較熱天數(shù)是最多的，平均較熱天數(shù)比7月份多2 d，比6月份多3 d，而且較熱天數(shù)≥25 d年份比率也最高，其次是7月份，最后是6月份。

圖2 1986—2015年夏季宜昌市人體感覺較熱的天數(shù)Fig.2 The number of days when the body feels hotter in summer in Yichang from 1986 to 2015

3 結(jié)論與討論

本文分別采用了模糊評(píng)判和人體舒適度指數(shù)對(duì)宜昌市夏季舒適度情況做了分析。模糊評(píng)判法不僅可以以氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度為單因素的舒適度評(píng)判，還可以進(jìn)行綜合評(píng)判，這就可以從不同氣象因素以及綜合要素來分析各地區(qū)的舒適度等級(jí)分布情況[16]。人體舒適度指數(shù)的公式法能得出人體舒適度指數(shù)值，需要通過通徑分析法來評(píng)價(jià)各個(gè)因子對(duì)舒適度的影響程度。模糊評(píng)判法中各因素對(duì)人體舒適度的影響地位并不相同，氣溫是首要因素，其次才是風(fēng)速和濕度。人體舒適指數(shù)雖然無法直接得出各個(gè)因子的影響程度，但通過通徑分析法也得出氣溫對(duì)人體舒適度的影響最大，濕度通過溫度對(duì)人體舒適指數(shù)的影響也很大。

兩種方法計(jì)算結(jié)果略有差異。模糊評(píng)判法得出宜昌市的不舒適性主要是氣溫的影響，其次是風(fēng)速、最后是濕度。人體舒適度指數(shù)模型也認(rèn)為氣溫對(duì)人體舒適度的影響較大，但濕度通過溫度對(duì)人體舒適度的影響要高于風(fēng)速通過溫度對(duì)人體舒適度的影響。另外，模糊評(píng)判法得出6月份的舒適性最好，這和人體舒適度指數(shù)計(jì)算模型的結(jié)論相同。區(qū)別在于7月份和8月份，模糊評(píng)判法得出8月份的舒適性要高于7月份。而人體舒適度指數(shù)得出8月份的平均較熱天數(shù)較多，比7月份多2 d，較熱天數(shù)≥25 d年份的比率也比7月份高，得出8月份的舒適性較差。

兩種方法雖略有差異，但結(jié)論基本一致。6月份，宜昌市氣候很舒適、舒適以及較舒適之和達(dá)到了0.74以上。平均人體舒適度指數(shù)是72，平均較熱天數(shù)為18 d，較熱天數(shù)≥25 d年份的比率為6%，宜昌市6月份氣候還是較適宜的。7月份平均氣溫和平均相對(duì)濕度較高，很舒適、舒適及較舒適之和為0.587，平均人體舒適度指數(shù)為76，平均較熱天數(shù)有19 d，較熱天數(shù)≥25 d年份的比率為13%，氣候舒適性比6月份差。8月份平均氣溫較7月份略有下降，很舒適，舒適和較舒適之和也比7月份有提升為0.626。平均人體舒適度指數(shù)為75，平均較熱天數(shù)為21 d，較熱天數(shù)≥25 d年份的比率為33%，這是3個(gè)月中最高的。綜合來說宜昌市早夏的氣候是較宜人的，適合人們出行旅游。

此外，雖然溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度對(duì)人體影響較大，但其他氣象要素比如氣壓、日照、降水等對(duì)人體舒適度也有影響。所以，氣候舒適度模型有待進(jìn)一步研究。