劉子豪， 黃建武， 孔德亞， 王無(wú)為， 王維高， 揭 毅

(1.華中師范大學(xué) 地理過(guò)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)

關(guān)鍵字：武漢市；人體舒適度指數(shù)；通徑分析；暑熱天數(shù)

武漢市地處長(zhǎng)江中下游平原，境內(nèi)地形復(fù)雜多樣，湖泊星羅棋布，地勢(shì)東南部高，西北部低，被長(zhǎng)江和漢江兩大水系分割成三大塊。位于季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)、光熱條件好、雨水豐富且主要集中于6、7月份，冬季稍涼偏干[1]。人體舒適度指數(shù)(Comfort Index of Human Body，簡(jiǎn)稱(chēng)CIHB)作為一種生物氣象指標(biāo)是從氣候的角度來(lái)評(píng)價(jià)不同條件下人體對(duì)自然環(huán)境的感覺(jué)程度，它不僅直接影響人們的日常生活，也在生產(chǎn)銷(xiāo)售、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，在城市氣象環(huán)境應(yīng)用于服務(wù)中占有重要地位，其制定依據(jù)是大氣環(huán)境與人類(lèi)機(jī)體之間熱量的交換[2]。人體舒適度指數(shù)受到多種要素例如降水量、溫度、大氣壓、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、性別、體質(zhì)、年齡、著衣等綜合影響[3]，氣溫、風(fēng)速和濕度這三項(xiàng)指標(biāo)為主導(dǎo)要素，其中氣溫是決定人體舒適度的主要指標(biāo)，濕度和風(fēng)速為輔助指標(biāo)[4]。1945年美國(guó)地理學(xué)家Brunt[5]在Nature雜志上首次提出人體舒適度與大氣環(huán)境之間的關(guān)系使得人體舒適度的評(píng)價(jià)開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)從1980年開(kāi)始，在早前學(xué)者研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建一系列評(píng)價(jià)模型對(duì)某一地區(qū)人體舒適度進(jìn)行分析判斷[6]，使得地域人體舒適度研究取得一定進(jìn)展。如:于庚康等[7]以逐日氣象資料為基礎(chǔ)深入研究了江蘇省不同時(shí)空尺度條件下的人體舒適度差異狀況；馬麗君等[8]以著衣指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)和溫濕指數(shù)為依據(jù)研究氣候舒適度的變化特征；張立杰[9]等分析了海陸分布、地貌形態(tài)、市政建設(shè)等因素對(duì)深圳市人體舒適度的影響。盡管學(xué)者們對(duì)人體舒適度的研究較多，但大都針對(duì)我國(guó)東部、東南部沿海城市[10-12]，對(duì)我國(guó)中部一些重要城市例如武漢的人體舒適度的研究卻不多見(jiàn)。

各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，在全球變暖的大環(huán)境之下[13]，武漢市多年均溫也表現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)，在近一二十年表現(xiàn)的尤為顯著[14]，而溫度是計(jì)算人體舒適度指數(shù)的關(guān)鍵因子。本文以武漢市臺(tái)站近50年的逐日氣候數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用前人研究得出的較為成熟的人體舒適度指數(shù)評(píng)價(jià)模型，從不同角度分析武漢市人體舒適度指數(shù)的年際變化趨勢(shì)、季節(jié)變化以及各影響因子之間的權(quán)重關(guān)系,從而為武漢市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、旅游資源的合理開(kāi)發(fā)與利用等提供重要的理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和計(jì)算方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

使用資料為1967—2016年武漢市觀測(cè)站臺(tái)50年的逐日氣象資料，包括日平均氣溫(簡(jiǎn)稱(chēng)氣溫)、日平均風(fēng)速(簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)速)和日平均相對(duì)濕度(簡(jiǎn)稱(chēng)濕度)三個(gè)要素。四季的劃分標(biāo)準(zhǔn)為，春季為每年的3、4、5月，夏季為6、7、8月，秋季為9、10、11月，當(dāng)年12月以及次年的1、2月為冬季。

1.2 人體舒適度指數(shù)計(jì)算方法

本文選擇目前國(guó)內(nèi)比較流行的KSSD經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[15]，并就當(dāng)?shù)貙?shí)際情況劃分為九個(gè)等級(jí)見(jiàn)表(1)，具體的計(jì)算公式如下:

其中：T為溫度(℃);H為濕度(%)；V為風(fēng)速(m/s-1)。

表1 武漢市人體舒適度指數(shù)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3 通徑分析法

通徑分析法(path analysis)是一種多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)，最早是在1921年由美國(guó)著名生物學(xué)家Sewall Wright[16]提出，是簡(jiǎn)單相關(guān)分析方法的延續(xù)和發(fā)展，通徑分析法內(nèi)涵是通過(guò)直接分解某種或多種自變量與因變量之間的表面相關(guān)性，來(lái)分析多種自變量對(duì)一種因變量所產(chǎn)生的直接重要性與間接重要性[17]。具體而言，任意一自變量xi對(duì)因變量y的間接通徑系數(shù)等于通徑系數(shù)(Pjy)與相關(guān)系數(shù)(rij)的乘積，任意一個(gè)自變量xi與因變量y之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)(riy)等于xi與y的間接通徑系數(shù)與所有的xi與y的直接通徑系數(shù)(Piy)的和[18]。通徑分析法可利用SAS、DPS、SPSS、Excel等軟件進(jìn)行處理分析，為了獲得必要的正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果，本文決定采取SPSS進(jìn)行通徑分析的計(jì)算。因?yàn)槿梭w舒適度主要受溫度、濕度、風(fēng)速的影響，而這三個(gè)指標(biāo)之間又存在著一定的相互作用，有必要進(jìn)一步分析確定各指標(biāo)對(duì)人體舒適度影響的權(quán)重關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 武漢市人體舒適度指數(shù)的總體變化特征

圖1 1967—2016年武漢市人體舒適度指數(shù)年際變化趨勢(shì)特征Fig.1 Inter-annual variation of CIHB from 1967 to 2016 in Wuhan City

由圖1可以看出，武漢市在近50年里，年均CIHB存在較明顯的上升趨勢(shì)，尤其從20世紀(jì)80年代中期到2007年上升趨勢(shì)表現(xiàn)得十分顯著，其中，存在兩個(gè)最高點(diǎn)，分別是1998和2004年，1969年為最低值。CIHB平均值為57.69,屬較舒適型，舒適度等級(jí)為-1?？傋兓蕿?.079/年，通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，R2值也達(dá)到了0.511，但是在2004—2012年，CIHB表現(xiàn)出顯著下降的態(tài)勢(shì)。全市CIHB年際震蕩幅度較大，振蕩周期大約在3～4年。參考近年關(guān)于武漢市氣候變化研究結(jié)果，武漢市年均溫變化與全球/北半球和中國(guó)相比，主要表現(xiàn)為變化趨勢(shì)上基本一致但變化幅度稍大，且全球變暖停滯現(xiàn)象在武漢地區(qū)也有相應(yīng)的表現(xiàn)。在50年尺度上，武漢市年均氣溫變化趨勢(shì)在2009年發(fā)生轉(zhuǎn)折，呈現(xiàn)出一定的下降態(tài)勢(shì)。因?yàn)闅鉁厥荂IHB主要影響因子，近50年來(lái)武漢市人體舒適度指數(shù)的年際變化與氣候的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出基本一致的特征。

2.2 武漢人體舒適度指數(shù)的季節(jié)變化特征

比較近50年武漢市四季CIHB的變化特征(圖2)，其變化范圍依次是：53.6～61.1，72.1～76.7，54.7～63.5，33～45.2。就歷年均值而言，最高為夏季，春秋兩季次之，冬季最低。春季57.08屬于較舒適類(lèi)，舒適度等級(jí)為-1；夏季74.58屬于暑熱類(lèi)，舒適度等級(jí)為1；秋季59.24偏高于春季，屬于較舒適類(lèi)，舒適度等級(jí)為-1；冬季最低39.58，舒適度等級(jí)為-2，屬于偏冷類(lèi)?？梢钥闯?，武漢市春秋兩季相對(duì)更為舒適。四季CIHB的時(shí)間序列年際變化差異十分顯著，變化幅度最小的季節(jié)是夏季，僅為4.6，變化幅度最大的季節(jié)是冬季，為12.2。1995年以后，冬季變化幅度要明顯大于其他三個(gè)季節(jié)，在1995到2009這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，振蕩幅度最為明顯，振蕩周期大約為2年，并且在2008—2011年存在較為明顯的“跳水”現(xiàn)象，這與該年份冬季氣溫顯著下降有直接關(guān)系。通過(guò)比較不同季節(jié)CIHB的變化趨勢(shì)，可以看出，除夏季外，其余三個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)出較為顯著的上升趨勢(shì)。其中又以春季表現(xiàn)的最為突出，線性趨勢(shì)指數(shù)達(dá)到了0.1/年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于顯著性檢驗(yàn)0.05這個(gè)水平，在1980年至2008年這個(gè)區(qū)間內(nèi)上升趨勢(shì)表現(xiàn)的尤為明顯，但在2010年出現(xiàn)了明顯的低谷。秋冬兩季的上升趨勢(shì)則相對(duì)次之，線性趨勢(shì)分別為0.084/年和0.09/年，均達(dá)到顯著水平。

圖2 1967—2016年武漢市四季人體舒適度歷年變化

圖3 武漢市人體舒適度指數(shù)多年平均逐月分布特征Fig.3 Multi-year average monthly distribution characteristics of CIHBin Wuhan City

從武漢市CIHB歷年逐月曲線圖可以看出(圖3)，其變化趨勢(shì)整體先上升后下降，呈倒“V”字型。全市各月平均CIHB變化范圍是37.15～76.16，1月份CIHB最低，其次是2、12月，7月份CIHB最高，6、8月次之，且6、7、8這三個(gè)月的CIHB值均大于70。從5月開(kāi)始，人體舒適度由舒適轉(zhuǎn)上升為暑熱，8月下旬以后，又從暑熱轉(zhuǎn)換為舒適。在月際變化曲線中，武漢市上半年曲線變化較下半年表現(xiàn)的更為和緩。通過(guò)對(duì)比前后25年這兩條不同的曲線，“后25年”這條曲線的倒“V”字變得更寬且位于“前25年”曲線之上，可以看出，武漢市后25年的逐月平均CIHB高于前25年，表現(xiàn)出了明顯的上升趨勢(shì)。

2.3 人體舒適度指數(shù)影響因子的權(quán)重關(guān)系

人體舒適度指數(shù)與溫度、風(fēng)速、濕度之間具有極其顯著的相關(guān)性，三個(gè)要素之間互相作用，一方面表現(xiàn)出互相促進(jìn)另一方面又互相制約。因此，針對(duì)這種復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，我們采用通徑分析法來(lái)研究這三項(xiàng)指標(biāo)對(duì)CIHB的作用效果，以分析溫度、風(fēng)速和濕度三個(gè)影響因子分別對(duì)CIHB的直接作用效果，以及其中一個(gè)影響因子如何通過(guò)另一個(gè)影響因子間接作用于CIHB的變化[19]。

表2 正態(tài)檢驗(yàn)輸出結(jié)果

首先，對(duì)因變量人體舒適度指數(shù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，得出顯著水平Sig.的值為0.134，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05，所以CIHB服從正態(tài)分布規(guī)律，即CIHB是正態(tài)變量可以對(duì)其進(jìn)行回歸分析。通徑分析結(jié)果表明(表3)，溫度、風(fēng)速和濕度與CIHB的相關(guān)系數(shù)分別為0.99465、-0.51067和-0.31119均大于0.05，達(dá)到顯著性相關(guān)水平。其中以溫度對(duì)CIHB的直接通徑系數(shù)最高為0.89287，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濕度和風(fēng)速，這表明溫度是影響CIHB變化主要因子且溫度與CIHB之間具有十分顯著的正相關(guān)性。濕度和風(fēng)速對(duì)CIHB的直接通徑系數(shù)分別為-0.09198和-0.13407，二者的數(shù)據(jù)均較小，且風(fēng)速對(duì)CIHB直接通徑系數(shù)較濕度更小，因此風(fēng)速和濕度是影響CIHB變化的次要因子并與CIHB呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而，風(fēng)速和濕度通過(guò)溫度這一變量對(duì)CIHB的間接通徑系數(shù)卻相對(duì)較高，分別達(dá)到-0.20921和-0.41502，高于其對(duì)CIHB的直接通徑系數(shù)，表明風(fēng)速和濕度是通過(guò)溫度間接地對(duì)CIHB產(chǎn)生負(fù)作用，對(duì)其直接作用效果并不明顯，且溫度的負(fù)作用要略小于風(fēng)速。由此可知，在溫度、濕度、風(fēng)速這三個(gè)影響因子當(dāng)中，溫度對(duì)CIHB直接產(chǎn)生影響且為CIHB的最大影響因子，對(duì)CIHB的變化起到關(guān)鍵性作用，而濕度和風(fēng)速則是通過(guò)溫度間接地對(duì)CIHB產(chǎn)生負(fù)作用，影響強(qiáng)度風(fēng)速較濕度大。

表3 人體舒適度指數(shù)與各影響因子的通徑系數(shù)

圖4 1967—2016年武漢市夏季各月(6、7、8)人體暑熱的天數(shù)Fig.4 The heater days in June,July,and August in Wuhan City from 1967 to 2016

2.4 夏季人體感覺(jué)暑熱天數(shù)的特征

作為“三大火爐”之一的武漢，夏季的氣候特征表現(xiàn)為平均溫度高、濕度大、風(fēng)速小、最低氣溫偏高，這與武漢特定的緯度位置以及城市的地勢(shì)地貌、熱島環(huán)流等相關(guān)。然而在武漢市近50年各季CIHB的變化曲線中(圖4)，夏季的變化表現(xiàn)得最不明顯，在不同季節(jié)，由于氣候因子的影響存在著差異，人體對(duì)自然環(huán)境的感受表現(xiàn)出一定的差異性。夏季是人們外出旅游、能源消費(fèi)以及各種疾病發(fā)生的高值期，同時(shí)也是人們對(duì)外界自然環(huán)境變化反應(yīng)最為敏感的季節(jié)，所以有必要對(duì)夏季(6、7、8月)武漢市CIHB的變化特征進(jìn)行比較分析。

由圖4可以看出，武漢市近50年來(lái)6、7、8各月暑熱天數(shù)均在15天以上。從近50年總體變化趨勢(shì)來(lái)看，6月份暑熱天數(shù)的變化幅度相對(duì)較小，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的上升或者下降趨勢(shì)，基本上沿夏季暑熱天數(shù)均值上下波動(dòng)，且最大波動(dòng)范圍不超過(guò)12天，平均暑熱天數(shù)為18.42天，暑熱天數(shù)大于15天的年份占84%。相對(duì)而言，武漢市7月份暑熱天數(shù)表現(xiàn)出明顯的年際變化，基本上呈先下降后上升的趨勢(shì)。第一個(gè)階段是從1967年開(kāi)始到2001年，暑熱天數(shù)波動(dòng)下降，2001年達(dá)歷年最低值僅為3天，且該月暑熱天數(shù)的均值為15天，較6、8月份最低，但這并不意味著這一年武漢市的7月份最涼爽，因?yàn)樵谶@一個(gè)月當(dāng)中熱的天數(shù)共計(jì)11天，同時(shí)酷熱的天數(shù)更是高達(dá)17天，由此可見(jiàn)，該月人體舒適度指數(shù)等級(jí)整體偏高，在當(dāng)月并不會(huì)感到?jīng)鏊?；第二階段為2001年到2016年，基本上為波動(dòng)上升的態(tài)勢(shì)。武漢市8月份平均暑熱天數(shù)為16.56天，最接近武漢市夏季(6、7、8月)平均暑熱天數(shù)16.67天，其暑熱天數(shù)的年均變化序列表現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)，存在兩個(gè)低值點(diǎn)分別是1998年和2003年，均為7天，暑熱天數(shù)大于15的年份占54%。

圖5 1967—2016年武漢市夏季人體暑熱的天數(shù)Fig.5 The heater days in summer in Wuhan City from 1967 to 2016

由圖5可知，夏季歷年暑熱天數(shù)均值為50天，其在1968年達(dá)到最高74天，2015年為次高值66天，夏季出現(xiàn)的暑熱天數(shù)占全年的73.4%。

近50年武漢夏季暑熱天數(shù)年際變化趨勢(shì)大致可以分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是1967年到1975年，除去1968年的異常升高，基本上呈波動(dòng)上升的態(tài)勢(shì)；第二個(gè)階段是1976年到1998年，在這個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)，其夏季暑熱天數(shù)表現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)，且波動(dòng)范圍較大，1998年達(dá)50年最低值35天；第三個(gè)階段是1999年至今，曲線的上升趨勢(shì)明顯變陡，可以得出在近十幾年來(lái)，武漢市夏季暑熱天數(shù)表現(xiàn)出顯著的上升態(tài)勢(shì)。武漢市6、7、8三個(gè)月暑熱天數(shù)均值都大于15天，各月暑熱天數(shù)相差較小。雖然武漢市6月暑熱天數(shù)相對(duì)于7月、8月為高，但不能說(shuō)明武漢市夏季6月份的天氣最不舒適，因?yàn)樵谶@一月，武漢市舒適度等級(jí)為0的天數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)月。根據(jù)夏季各月暑熱天數(shù)、熱天數(shù)以及酷熱天數(shù)所占比重，可以得出，7月份為武漢市夏季最不舒適的一個(gè)月，其次是8月份，6月則是相對(duì)較舒適的一個(gè)月份。

3 結(jié) 論

本文以武漢市1967—2016年共50年逐日氣象資料為基礎(chǔ)，重點(diǎn)討論了武漢市人體舒適度指數(shù)的時(shí)間變化特征，并運(yùn)用SPSS通徑分析法對(duì)溫度、風(fēng)速和濕度等影響因子的權(quán)重關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析，最后針對(duì)武漢市夏季歷年暑熱天數(shù)作出分析，結(jié)論如下。

(1)1967—2016年，武漢市年均CIHB的變化表現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢(shì)，線性趨勢(shì)達(dá)0.079/年，通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，全市CIHB的振蕩周期約為3～4年，歷年均值為57.69，屬于較舒適型，舒適度等級(jí)為-1。

(2)武漢市四個(gè)季節(jié)中除夏季外，春、秋、冬三個(gè)季節(jié)的CIHB值均表現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)，線性趨勢(shì)指數(shù)均大于0.05，達(dá)到顯著性水平，其中又以春季的上升態(tài)勢(shì)最為明顯，線性趨勢(shì)達(dá)到了0.1/年，秋季次之。冬季的CIHB波動(dòng)要明顯大于其他三個(gè)季節(jié)，最高值與最低值之間的差值達(dá)12.2，夏季的波動(dòng)幅度最小。武漢市CIHB多年平均逐月曲線變化趨勢(shì)大致呈倒“V”字型，且后25年的逐月平均CIHB高于前25年，同樣表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。

(3)CIHB與溫度、濕度和風(fēng)速四者之間具有顯著的相關(guān)性，其中，溫度與CIHB呈正相關(guān)關(guān)系且為CIHB的最大影響因子，而風(fēng)速和濕度對(duì)CIHB的直接作用很小，主要是通過(guò)溫度對(duì)CIHB產(chǎn)生間接的負(fù)作用，且作用強(qiáng)度風(fēng)速較濕度偏高。

(4)武漢市50年6、7、8月的暑熱天數(shù)都在15天以上，歷年夏季的暑熱天數(shù)均值為50天，武漢市暑熱天數(shù)變化整體上呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)。6月份平均暑熱天數(shù)為18天且變化幅度較??；7月份暑熱天數(shù)為15天且年序變化明顯，呈先下降后上升的趨勢(shì)；8月份暑熱天數(shù)為17天，其變化趨勢(shì)大致與7月相同，均是先下降后上升。最后根據(jù)夏季各月暑熱天數(shù)、熱天數(shù)以及酷熱天數(shù)所占比重最后得出，7月份為武漢市夏季最不舒適的一個(gè)月，8月次之，6月則是相對(duì)最舒適的一個(gè)月份。