曹 云,孫應(yīng)龍,吳門(mén)新

國(guó)家氣象中心, 北京 100081

在人類(lèi)賴(lài)以生活和生存的自然環(huán)境條件中,氣候是影響人類(lèi)活動(dòng)和人居環(huán)境的重要自然因子。溫度、濕度等氣象條件變化會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不同程度的生理影響,而不同氣象條件的組合必將對(duì)人體舒適程度產(chǎn)生一個(gè)綜合的影響[1- 2]。氣候舒適度是從氣象學(xué)角度評(píng)價(jià)人體對(duì)氣溫、濕度、風(fēng)速等氣象因子所感受適宜狀態(tài),屬于不同天氣、氣候條件影響下人體舒適程度的生物氣象指標(biāo)[3- 4]；氣候舒適期是指人體感覺(jué)適宜的氣候條件所對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍,即人體感覺(jué)到舒適的持續(xù)日數(shù)[5- 7]。氣候的舒適性主要由皮膚的溫度、出汗量、熱感及其人體調(diào)節(jié)機(jī)能所承受的負(fù)荷來(lái)確定,受環(huán)境氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)力等天氣氣候因素的影響[8- 9]。在氣象條件對(duì)于人體舒適性的影響方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,從多種角度提出了多項(xiàng)氣候舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法。國(guó)外早在20世紀(jì)中期已開(kāi)始了對(duì)不同氣象因子對(duì)人體舒適度影響的探索研究[10],并逐步構(gòu)建了溫濕指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)、著衣指數(shù)等各種氣候舒適度指數(shù)及評(píng)價(jià)模型[11- 14]。我國(guó)氣候舒適度研究大約開(kāi)始于20世紀(jì)80年代,主要利用舒適度模型開(kāi)展了一系列卓有成效的研究工作,其中以溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)等應(yīng)用最為廣泛[15]。在大空間尺度方面,唐焰等[5],李山等[4]利用溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)分析了氣候舒適期的空間格局及其季節(jié)性特點(diǎn),對(duì)人居環(huán)境的氣候適宜性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)；孫根年等[16-17]基于月氣候適宜指數(shù)揭示了我國(guó)東部和北部典型城市氣候舒適度的時(shí)空變化規(guī)律；曹永強(qiáng)等[18]分析了遼寧省夏季舒適程度,并依據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行舒適區(qū)域劃分；同時(shí)也在濱海城市[19-20]、高原地區(qū)[21-22]、山區(qū)庫(kù)區(qū)[23-25]開(kāi)展了氣候舒適性評(píng)價(jià)。在小空間尺度方面,李樹(shù)華等[26]、張娜等[27]利用溫濕指數(shù),對(duì)城市綠地、河岸帶等區(qū)域的氣候舒適度進(jìn)行了定量化的深入對(duì)比研究。在不同氣象要素中,空氣溫度對(duì)舒適感的影響最大,其次是相對(duì)濕度和風(fēng)速[28]。此外,也有學(xué)者利用溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)等氣候舒適度指數(shù),開(kāi)展了氣候舒適度變化對(duì)當(dāng)?shù)芈糜慰土髁康挠绊懷芯縖29-31]。綜上所述,氣候作為自然環(huán)境的重要條件之一,其舒適性是評(píng)價(jià)和分析區(qū)域人居環(huán)境、旅游資源的關(guān)鍵氣候指標(biāo)。當(dāng)前氣候舒適度評(píng)價(jià)已成為人居環(huán)境氣候評(píng)估、旅游氣候資源評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一[32-33]。

然而,以往研究多為重點(diǎn)城區(qū)、景區(qū)的點(diǎn)面上現(xiàn)狀對(duì)比或分析,相對(duì)缺乏在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上對(duì)氣候舒適度變化特征及其規(guī)律的分析[34-35]。特別是在20世紀(jì)50年代以來(lái),在氣候變暖與變暖趨勢(shì)加快為主要特征的氣候變化背景下,區(qū)域氣候舒適期勢(shì)必會(huì)發(fā)生不同程度的變化,必將對(duì)人居環(huán)境和旅游資源產(chǎn)生重要的影響[6,36-37]。此外,以往氣候舒適度研究大多是以月為時(shí)間尺度來(lái)進(jìn)行界定,舒適月份也相對(duì)穩(wěn)定,造成氣候變化對(duì)氣候舒適度的影響在月尺度上難以體現(xiàn),也不利于區(qū)域間橫向和區(qū)域內(nèi)縱向的比較和解析[4]。因而近年來(lái)在日尺度上,開(kāi)展氣候舒適度的區(qū)域性對(duì)比研究以及年際變化的分析研究有所增加,進(jìn)而也受到了越來(lái)越多的關(guān)注[38-40]。

本文利用京津冀地區(qū)1966—2015年170個(gè)觀(guān)測(cè)站點(diǎn)近50年逐日氣象觀(guān)測(cè)資料,基于日尺度的溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)、著衣指數(shù)及其綜合指數(shù),對(duì)區(qū)域多年氣候舒適期變化特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析,揭示氣候變化背景下氣候舒適期的時(shí)空演變特征,以期為豐富京津冀地區(qū)的氣候適宜性研究、促進(jìn)區(qū)域人口科學(xué)合理布局提供技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 京津冀氣象觀(guān)測(cè)站點(diǎn)分布示意圖 Fig.1 Spatial distribution of meteorological observation stations in the Beijing-Tianjin-Hebei region

基于國(guó)家氣象中心整理的數(shù)據(jù)集,選擇京津冀地區(qū)空間分布較為均勻、記錄相對(duì)完整的170個(gè)站點(diǎn)(圖1),1966—2015年逐日氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等氣象數(shù)據(jù),為氣候舒適指數(shù)的逐日計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 研究方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2.1氣候舒適度指數(shù)

在前人研究的基礎(chǔ)上[8,9,17,41,42],選擇溫濕指數(shù)(Temperature-Humidity Index,THI)、風(fēng)效指數(shù)(Wind-Effect Index,WEI)、著衣指數(shù)(Index of Cloth Loading,ICL)及其綜合指數(shù)(Comprehensive Comfort Index,CCI)對(duì)區(qū)域氣候舒適度進(jìn)行研究。

(1)溫濕指數(shù)(THI),是通過(guò)溫度和濕度的組合,反映人體與周?chē)h(huán)境的熱量交換,是氣候舒適度的重要指標(biāo)[8]。計(jì)算式如下：

THI=(1.8×T+32)- 0.55×(1-RH)×(1.8×T-26)

(1)

式中：T為溫度(℃),RH為相對(duì)濕度。

(2)風(fēng)效指數(shù)(WEI),是指風(fēng)速和氣溫對(duì)裸露人體熱量散失的影響,既考慮體表的散熱,也考慮了太陽(yáng)輻射后人體的增熱,反映了體表與周?chē)h(huán)境之間的熱交換,即皮膚溫度為33℃時(shí),體表單位面積的熱交換量(正值為吸熱,負(fù)值為散熱)[7,9]。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：V為風(fēng)速(m/s),T為溫度(℃),S為日照時(shí)數(shù)(h/d)。

(3)著衣指數(shù)(ICL),綜合了溫度、太陽(yáng)輻射、人體代謝和風(fēng)速等多種因素,人們可以根據(jù)著衣指數(shù)的大小來(lái)選擇不同的衣服而改變氣候的不舒適性[43]。計(jì)算公式如下：

(3)

式中：T為攝氏氣溫(℃)；H代表人體代謝率的75%,文中取輕活動(dòng)量下的代謝率,此時(shí)H=87W/m2；A表示人體對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收情況,文中取0.06；R表示垂直陽(yáng)光的單位面積土地所接收的太陽(yáng)輻射(W/m2),一般取太陽(yáng)常數(shù)R=1367W/m2[18]；α是太陽(yáng)高度角,取平均狀況,設(shè)緯度為β,夏季各地太陽(yáng)高度角為90-β+23°26′,冬季時(shí)各地太陽(yáng)高度角為90-β-23°26′,春秋各地太陽(yáng)高度角為90-β；V為風(fēng)速(m/s)。

1.2.2舒適度綜合指數(shù)(CCI)

為了更準(zhǔn)確、更方便地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)人們戶(hù)外感受相對(duì)程度,將3個(gè)指數(shù)進(jìn)行了分級(jí)及賦值,由于寒冷和炎熱都會(huì)影響環(huán)境氣候舒適度,所以將其級(jí)別分別為e、d、c、b、A、B、C、D、E,賦值為1、3、5、7、9、7、5、3、1,其數(shù)值越高,氣候舒適程度就越高[16,17,19,43],其結(jié)果如表1所示。

綜合舒適指數(shù)(CCI)是以溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和著衣指數(shù)為基礎(chǔ),采用專(zhuān)家打分和層次分析法確定各指數(shù)的權(quán)重,建立氣候舒適性綜合評(píng)價(jià)模型[17],其計(jì)算公式如下：

CCI=0.6×XTHI+0.3×XWEI+0.1×XICL

(4)

式中：XTHI、XWEI和XICL分別為溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和著衣指數(shù)的分級(jí)賦值,0.6、0.3、0.1為各指數(shù)權(quán)重系數(shù)。其中7≤CCI≤9時(shí)為舒適等級(jí)；5≤CCI<7時(shí)為較舒適等級(jí)；3≤CCI<5時(shí)為較不舒適等級(jí)；1≤CCI<3時(shí)為不舒適等級(jí)。

表1 溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和著衣指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及賦值

1.2.3統(tǒng)計(jì)分析

舒適期統(tǒng)計(jì),本文是以達(dá)到舒適等級(jí)、較舒適等級(jí)的日期和天數(shù)為分析對(duì)象,基于逐日的氣候舒適度指數(shù),采用氣候分析中五日滑動(dòng)平均法,逐年統(tǒng)計(jì)不同舒適等級(jí)的初始日期(最早出現(xiàn)日期)、終止日期(最晚出現(xiàn)日期)以及初終日期間該舒適等級(jí)的天數(shù)；并根據(jù)初終日期間,達(dá)到不同舒適等級(jí)的累計(jì)天數(shù)占該期間總天數(shù)的百分率,來(lái)計(jì)算氣候舒適率。

氣候變化趨勢(shì)分析,本文采用氣候?qū)W中常用的線(xiàn)性?xún)A向率的方法,對(duì)氣候舒適期隨時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。對(duì)近50年不同氣候舒適指數(shù)及其舒適期的年變化趨勢(shì)進(jìn)行時(shí)間序列分析,并采用最小二乘法來(lái)估算傾向率,表示其氣候變化趨勢(shì)。傾向率正負(fù)表示增加或減少趨勢(shì),其值的大小反映增加或減少的速率；通常以其10年變化量來(lái)開(kāi)展相應(yīng)趨勢(shì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫濕指數(shù)分析與評(píng)價(jià)

從溫濕指數(shù)(THI)近50年的變化特征來(lái)看,區(qū)域溫濕指數(shù)年際間變化幅度較大,其中天津變幅最大,1969年THI最低為53.1,2014年最高為57.6；京津冀三地年平均THI變化范圍在52—58之間,天津THI偏高,北京和河北THI變化范圍基本相似,大致處于b和c偏涼等級(jí)。但京津冀THI變化趨勢(shì)基本相同,均呈顯著性的提高趨勢(shì)(圖2),其中天津THI增加趨勢(shì)最為明顯,每10年THI增加0.57,表明京津冀區(qū)域氣候舒適性從偏涼向偏暖的方向轉(zhuǎn)變。

圖2 1966—2015年溫濕指數(shù)的逐年變化特征Fig.2 Interannual variations of THI from 1966 to 2015

從近50年各月平均變化來(lái)看(圖3),京津冀三地的溫濕指數(shù)(THI)均成明顯單峰型,1月THI最低為32—33,隨著溫度和濕度的變化,THI逐月提高,基本7月達(dá)到一年最高值為75—77,人體感覺(jué)為偏熱和悶熱,之后THI逐步下降。從各月舒適等級(jí)的天數(shù)來(lái)看,京津冀舒適期呈現(xiàn)兩個(gè)峰值,舒適期主要集中在4—5月和9—10月,其中5月舒適和較舒適等級(jí)的日數(shù)最多,平均北京有26 d、天津25 d、河北24 d。

圖3 溫濕指數(shù)及其不同舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)的近50年平均月變化Fig.3 Monthly variation of THI and comfort period of different grades from 1966 to 2015

從京津冀不同舒適期統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看(表2),北京較舒適(偏涼)b等級(jí)、舒適A等級(jí)、較舒適B(偏暖)等級(jí)的天數(shù)均最多,分別平均達(dá)到29 d(27—30 d)、33 d(32—34 d)、37 d(36—40 d)；天津三個(gè)等級(jí)日數(shù)最少,分別為27 d(25—19 d)、30 d(28—31 d)、34 d(33—36 d)。但從初始日期變化來(lái)看,天津近50平均最早、北京最晚,其中天津較舒適(偏涼)b等級(jí)平均初始日期為4月4日、歷年最早出現(xiàn)3月29日(1996—2005年)；舒適A等級(jí)平均初始日期為4月18日、歷年最早出現(xiàn)4月14日(1996—2005年)；較舒適B(偏暖)等級(jí)平均初始日期為5月6日、歷年最早出現(xiàn)5月1日(2006—2015年)。從終止日期(最晚出現(xiàn)日期)來(lái)看,天津近50年平均最晚、北京偏早,其中天津較舒適(偏涼)b等級(jí)平均終止日期為10月25日、歷年最晚出現(xiàn)10月27日(2006—2015年)；舒適A等級(jí)平均終止日期為10月13日、歷年最晚出現(xiàn)10月15日(2006—2015年)；較舒適B(偏暖)等級(jí)平均終止日期為9月27日、歷年最晚出現(xiàn)9月29日(1996—2005年)。

表2 1966—2015年不同年際間溫濕指數(shù)舒適期的變化特征

SD：初始日期,Start date；ED：終止日期,End Date：Days：天數(shù)

受區(qū)域溫度和濕度的變化影響,區(qū)域溫濕指數(shù)不同舒適等級(jí)的初始日期、終止日期以及持續(xù)日數(shù)發(fā)生了不同程度變化。從近50年來(lái)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看(表3),京津冀不同舒適等級(jí)的初始日期大多呈顯著的負(fù)相關(guān)性,隨著年代變化,初始日期呈提前趨勢(shì),其中天津較舒適b等級(jí)初始日期提前最多,大約每10年提前3 d；終止日期呈正相關(guān)性,隨著年代變化,呈推遲趨勢(shì),但這種變化趨勢(shì)大多并不顯著,僅天津較舒適b、舒適A等級(jí)以及河北舒適A等級(jí)的終止日期呈顯著增加趨勢(shì)。不同舒適等級(jí)的天數(shù)也略有增加,但變化趨勢(shì)不顯著；舒適率總體略有下降,但變化趨勢(shì)也沒(méi)有達(dá)到顯著水平。

2.2 風(fēng)效指數(shù)分析與評(píng)價(jià)

從風(fēng)效指數(shù)(WEI)近50年的變化特征來(lái)看(圖4),京津冀年平均WEI變化范圍在-500—-380之間,人體感覺(jué)上處于稍冷風(fēng)、清涼風(fēng)等級(jí)；京津冀WEI年際間變化幅度均較大,其中天津變幅最大,1969年WEI最低為-499.8,2014年最高為-375.8。但從多年變化趨勢(shì)來(lái)看,京津冀WEI從1966—2015年基本呈上升趨勢(shì),每10年北京WEI增加8.2、天津16.2、河北13.5,表明京津冀WEI向暖風(fēng)等級(jí)變化。

表3 近50年溫濕指數(shù)不同等級(jí)舒適期的趨勢(shì)分析

SD：初始日期,Start date；ED：終止日期,End date;Days：天數(shù)；CR：舒適率,Comfort rate；TR：傾向率,Tendency rate；r：相關(guān)系數(shù),Correlation coefficient；*表示達(dá)到0.05的顯著性水平；**表示達(dá)到0.01的顯著性水平

圖4 1966—2015年風(fēng)效指數(shù)的逐年變化特征Fig.4 Interannual variations of WEI from 1966 to 2015

從1—12月50年均值變化來(lái)看(圖5),京津冀三地的風(fēng)效指數(shù)均成明顯單峰型,1月WEI在各月中最低,隨著風(fēng)速和溫度等變化,WEI逐月提高,從冷風(fēng)向暖風(fēng)變化,基本7月達(dá)到一年最高值,之后逐步下降。從風(fēng)效指數(shù)的舒適天數(shù)來(lái)看,京津冀舒適A等級(jí)天數(shù)9月最多,北京平均13 d、天津12 d、河北11 d；較舒適B等級(jí)(暖風(fēng))天數(shù)8月最多,大約20—22 d；較舒適b等級(jí)(涼風(fēng))天數(shù)10月最多,大約22—23 d。

圖5 風(fēng)效指數(shù)及其不同舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)的近50年平均月變化Fig.5 Monthly variation of WEI and comfort period of different grades from 1966 to 2015

從近50年京津冀舒適日數(shù)的年均值來(lái)看(表4),較舒適b等級(jí)日數(shù)河北最多為104 d,天津最少94 d；舒適A等級(jí)日數(shù)北京最多為45 d,天津最少41 d；較舒適(B)等級(jí)日數(shù)天津最多80 d,河北最少75 d。從初始日期變化來(lái)看,b等級(jí)初始日期,河北平均最早為2月20日,歷年最早出現(xiàn)2月10日(1996—2005年)；A等級(jí)初始日期,北京和河北50年平均為4月25日,天津略晚為4月27日；B等級(jí)初始日期,北京最早為5月14日,天津略晚為5月16日。從終止日期來(lái)看,b等級(jí)的終止日期,河北平均最晚12月1日,歷年最晚出現(xiàn)12月8日(1996—2005年)；A等級(jí)的終止日期,天津和河北50年平均為10月8日,北京為10月5日；B等級(jí)的終止日期,天津平均最晚9月19日,歷年最晚出現(xiàn)9月23日(2006—2015年)。

從風(fēng)效指數(shù)舒適期的近50年變化來(lái)看(表5),京津冀初始日期在年際間大多呈顯著的負(fù)相關(guān)性,隨著年代變化,初始日期呈明顯的提前趨勢(shì),其中天津初始日期提前的趨勢(shì)最為顯著,大約每10年提前3—5 d。終止日期通常隨著年代變化,呈推遲的趨勢(shì),但這種變化趨勢(shì)大多并不顯著,僅天津較舒適b、舒適A等級(jí)以及河北舒適A等級(jí)的終止日期呈顯著推遲趨勢(shì)。天數(shù)和舒適率也略有增加,但兩者變化趨勢(shì)均沒(méi)有達(dá)到顯著水平。

表4 1966—2015年不同年際間風(fēng)效指數(shù)舒適期的變化特征

SD：初始日期,Start date；ED：終止日期,End date;Days：天數(shù)

表5 近50年風(fēng)效指數(shù)不同等級(jí)舒適期的趨勢(shì)分析

SD：初始日期,Start date；ED：終止日期,End date;Days：天數(shù)；CR：舒適率,Comfort rate；TR：傾向率,Tendency rate；r：相關(guān)系數(shù),Correlation coefficient；*表示達(dá)到0.05的顯著性水平；**表示達(dá)到0.01的顯著性水平

2.3 著衣指數(shù)分析與評(píng)價(jià)

從著衣指數(shù)(ICL)近50年變化特征來(lái)看(圖6),京津冀年平均ICL變化范圍在1.3—1.7之間；年際間變幅均較大,其中天津變幅最大,2014年ICL最低為1.36,1969年最高為1.62。但從多年變化趨勢(shì)來(lái)看,京津冀ICL從1966—2015年呈下降趨勢(shì),表明京津冀受氣候偏暖影響,著衣指數(shù)相應(yīng)的逐年減少。

圖6 1966—2015年著衣指數(shù)的逐年變化特征Fig.6 Interannual variations of ICL from 1966 to 2015

從各月50年均值來(lái)看(圖7),京津冀著衣指數(shù)均成明顯低谷型,1月ICL通常最高(2.7—2.8),需要穿羽絨或毛皮衣,隨著溫度逐步回升,ICL逐月減小,基本7月達(dá)到一年最低值(0.4—0.5),之后氣溫逐步下降,ICL逐步增加。從各月不同舒適等級(jí)天數(shù)來(lái)看,京津冀舒適期基本全年呈現(xiàn)兩個(gè)峰值,在5月和9月,A等級(jí)日數(shù)達(dá)到21—23 d,舒適率達(dá)到了70.9%—76.7%。

圖7 著衣指數(shù)及其不同舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)的近50年平均月變化Fig.7 Monthly variation of ICL and comfort period of different grades from 1966 to 2015

從舒適日數(shù)的年均值來(lái)看(表6),b等級(jí)日數(shù)河北最多,為21 d,北京和天津?yàn)?0 d； A等級(jí)日數(shù)北京最多,為93 d,天津最少為82 d；B等級(jí)日數(shù)天津最多41 d,河北最少33 d。因此北京舒適期累計(jì)日數(shù)最多,152 d,河北最少,140 d。從初始日期變化來(lái)看,b等級(jí)的初始日期,天津平均最早為4月5日,歷年最早出現(xiàn)3月30日(1996—2005年)；A等級(jí)的初始日期,京津冀三地相差不大,大致出現(xiàn)在4月14日—15日；B等級(jí)的初始日期,天津最早為5月26日,河北略晚為5月30日。從不同等級(jí)的終止日期來(lái)看,天津終止日期均要晚于北京和河北,而北京終止日期要偏早。

表6 1966—2015年不同年際間著衣指數(shù)舒適期的變化特征

SD：初始日期,Start Date；ED：終止日期,End Date;Days：天數(shù)

從近50年變化趨勢(shì)來(lái)看(表7),京津冀不同舒適等級(jí)的初始日期在年際間大多呈顯著的負(fù)相關(guān)性,隨著年代變化,初始日期呈明顯的提前趨勢(shì),其中天津初始日期變化趨勢(shì)達(dá)到了極顯著水平,提前的趨勢(shì)也最為明顯,大約每10年提前2—4天。終止日期通常隨著年代變化,呈推遲的趨勢(shì),其中天津和河北舒適A等級(jí)與較舒適B等級(jí)的終止日期呈顯著推遲,大約每10年推遲1—3天。較舒適b、B等級(jí)的天數(shù),京津冀變化趨勢(shì)不顯著,但舒適A等級(jí)的天數(shù),北京和天津大約每10年減少2天。舒適率也大致呈下降趨勢(shì),其中天津舒適率下降趨勢(shì)均達(dá)到了顯著或極顯著水平。

表7 近50年著衣指數(shù)不同等級(jí)舒適期的趨勢(shì)分析

SD：初始日期,Start date；ED：終止日期,End date;Days：天數(shù)；CR：舒適率,Comfort rate；TR：傾向率,Tendency rate；r：相關(guān)系數(shù),Correlation coefficient；*表示達(dá)到0.05的顯著性水平；**表示達(dá)到0.01的顯著性水平

2.4 舒適度綜合指數(shù)分析與評(píng)價(jià)

從舒適度綜合指數(shù)(CCI)近50年的變化特征來(lái)看(圖8),京津冀年平均CCI變化范圍在4.6—5.4之間；年際間變化幅度均較大,其中天津變幅最大,1969年最低為4.7,2004年最高為5.4。從多年變化趨勢(shì)來(lái)看,京津冀CCI從1966—2015年呈明顯上升趨勢(shì),表明受區(qū)域氣候變化影響,京津冀氣候舒適度有所提升；以10年為間隔的四個(gè)時(shí)段,京津冀三地舒適度綜合指數(shù)在1966—1975年間增加趨勢(shì)最為明顯,每年提高0.02,遠(yuǎn)高于其他三個(gè)時(shí)段。

從各月50年均值變化來(lái)看(圖9),京津冀綜合指數(shù)(CCI)均成明顯“M”型變化,4—5月和9—10月的CCI為明顯的高峰值,變化范圍大致在7.3—7.5之間,處于舒適等級(jí)。京津冀舒適等級(jí)的日數(shù)主要集中在4—10月,其中5月舒適等級(jí)的日數(shù)最多,有24—26天；較舒適等級(jí)的日數(shù)主要集中于3—11月,其中6月較舒適等級(jí)的日數(shù)最多,有13—16天。因此從舒適和較舒適等級(jí)的累計(jì)日數(shù)來(lái)看,4月、5月、9月、10月屬于全年中舒適程度最高的月份,達(dá)到兩個(gè)等級(jí)的月均累計(jì)日數(shù)大致有28—31天。

圖9 綜合指數(shù)及其不同舒適等級(jí)持續(xù)天數(shù)的近50年平均月變化Fig.9 Monthly variation of CCI and comfort period of different grades from 1966 to 2015

從近50年綜合指數(shù)舒適期的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看(表8),北京地區(qū)舒適和較舒適等級(jí)的日數(shù)均最多,年平均分別達(dá)到100天和92天；天津最少,為91天和87天。京津冀舒適等級(jí)的日數(shù)要多于較舒適等級(jí)的日數(shù),但前者在不同年際間變化幅度較小,僅有3—5天,而較舒適等級(jí)的日數(shù)變化幅度較大,達(dá)到7—9天。初始日期在京津冀間相差不大,舒適等級(jí)的初始日期大約4月9—10日,較舒適等級(jí)的初始日期大約為3月10—14日,其中河北平均初始日期要略早于北京和天津。但是終止日期在京津冀間相差明顯,舒適和較舒適等級(jí)的終止日期北京偏早,分別平均為10月15日、11月11日；終止日期最晚出現(xiàn)的是天津,平均為10月22日(歷年最晚10月18日)、11月15日(歷年最晚11月18日)。

表8 1966—2015年不同年際間綜合指數(shù)舒適期的變化特征

SD：初始日期,Start date；ED：終止日期,End date;Days：天數(shù)

從綜合指數(shù)的舒適期變化趨勢(shì)來(lái)看(表9),近50年京津冀舒適、較舒適等級(jí)的初始日期均呈顯著的負(fù)相關(guān)性,從1966—2015年,初始日期呈明顯的提前趨勢(shì),其中較舒適等級(jí)的初始日期變化較大,大約每10年提前3—4天。對(duì)于終止日期,天津和河北的舒適、較舒適等級(jí)終止日期均呈增加趨勢(shì),大約每10年推遲1—2天；北京增加的趨勢(shì)沒(méi)有達(dá)到顯著水平。從天數(shù)變化來(lái)看,京津冀舒適等級(jí)的日數(shù)略有減少,較舒適等級(jí)的日數(shù)略有增加,但均沒(méi)有達(dá)到顯著水平,僅河北較舒適等級(jí)的日數(shù)顯著增加,每10年增加2天。對(duì)于舒適率,京津冀均略下降,僅天津和河北舒適等級(jí)的舒適率減少趨勢(shì)達(dá)到顯著水平,每10年減少1—2天。

表9 50年綜合指數(shù)不同等級(jí)舒適期的趨勢(shì)分析

SD：初始日期,Start date；ED：終止日期,End date;Days：天數(shù)；CR：舒適率,Comfort rate；TR：傾向率,Tendency rate；r：相關(guān)系數(shù),Correlation Coefficient；*表示達(dá)到0.05的顯著性水平；**表示達(dá)到0.01的顯著性水平

從年平均舒適等級(jí)日數(shù)空間分布特征來(lái)看(圖10),表現(xiàn)為由西北向東南地區(qū),舒適等級(jí)日數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。舒適等級(jí)的日數(shù)高值區(qū)主要分布在河北北部,全年舒適等級(jí)日數(shù)達(dá)到105—115天,西北部的部分區(qū)域達(dá)到115—120天；河北南部大部處于90—95天,東南部最少,不足90天；北京大部舒適等級(jí)日數(shù)達(dá)到95—105天,西部部分地區(qū)達(dá)到105—115天；天津大部舒適等級(jí)日數(shù)為90—95天。對(duì)于較舒適等級(jí)日數(shù)的分布特征,河北北部和東南部不足90天,中部90—95天；北京大部較舒適等級(jí)的日數(shù)達(dá)95—100天；天津大部不足90天。

圖10 1966—2015年多年平均舒適等級(jí)日數(shù)和較舒適等級(jí)日數(shù)的空間分布Fig.10 Distribution of the annual average for comfortable and less comfortable grade days from 1966 to 2015

3 討論

在全球氣候變化背景下,特別隨著區(qū)域溫度、降水等氣象要素的變化,區(qū)域氣候舒適度指數(shù)、舒適期已發(fā)生了不同程度的變化[16,44]。我國(guó)東部典型城市氣候舒適度研究顯示,緯度較高的城市年綜合舒適指數(shù)呈上升趨勢(shì),氣候舒適期增長(zhǎng),而且北方城市各月溫濕指數(shù)、著衣指數(shù)等指數(shù)變化幅度要大于南方城市,一般緯度越高變化越大[16]。對(duì)風(fēng)效指數(shù)研究,全國(guó)主要省會(huì)城市的年平均風(fēng)效指數(shù)呈上升趨勢(shì),東北地區(qū)增長(zhǎng)趨勢(shì)最為明顯[1]?；谠鲁叨鹊谋本夂蜻m宜度研究也發(fā)現(xiàn),1969—2008年北京溫濕指數(shù)和風(fēng)寒指數(shù)整體呈上升,著衣指數(shù)呈下降趨勢(shì),而綜合舒適指數(shù)呈上升趨勢(shì)[6]。這與本文對(duì)京津冀區(qū)域研究結(jié)果基本相同。

氣候舒適期作為衡量氣候舒適時(shí)間長(zhǎng)短(時(shí)長(zhǎng))的一個(gè)概念,直觀(guān)、量化地表征了氣候舒適度[4],而目前研究主要以日、月、季、年等多種時(shí)間分辨率的舒適期為主,但近年來(lái)隨著精細(xì)化研究需求不斷增加以及氣象數(shù)據(jù)整理挖掘,舒適期在日尺度上的研究也有所增多[7,38-39],不僅對(duì)區(qū)域舒適期統(tǒng)計(jì)精確到天數(shù),而且部分研究也對(duì)氣候變化背景下舒適期的“起止日期”演變趨勢(shì)進(jìn)行了探索[2,7]。本文在日尺度上,對(duì)舒適期的天數(shù)、初始和終止日期及其氣候變化趨勢(shì)均進(jìn)行了初步研究,揭示了近50年京津冀在氣候變化背景下舒適期的變化規(guī)律,進(jìn)一步豐富了區(qū)域氣候舒適期的科學(xué)認(rèn)識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用。

氣候舒適期空間變化明顯,全國(guó)地域性的差異較為顯著,氣候舒適的高值區(qū)分布在東南丘陵和云貴高原東南部,低值區(qū)分布在青藏高原和天山山地等高寒地區(qū)[5]。在全國(guó)尺度上,年均氣候舒適期在1961—2010年期間呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),而且后25年比前25年總計(jì)增加了約3.6天,春、秋兩季累計(jì)貢獻(xiàn)了約8成的增加量[4]。我國(guó)大部地區(qū)的氣候舒適期主要分布在4—10月,各地舒適期在年際間呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但各地舒適期長(zhǎng)短、增加幅度存在一定差異,以往研究顯示舒適期大約每十年,陜西增加1—5天[39],安徽大部增加5—11天[38]。對(duì)于京津冀地區(qū),曹偉宏和王淑新[9]基于月氣候舒適度研究也顯示,舒適期主要集中在春秋兩季,北部地區(qū)氣候舒適性高于南部,北京要好于天津和河北部分城市,但低于河北秦皇島、廊坊等城市；北京山區(qū)舒適期較長(zhǎng),從春季4月份開(kāi)始一直可持續(xù)到10月底結(jié)束,長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月的時(shí)間,山區(qū)春秋兩季為全年最舒適期[41]。京津冀大部地區(qū)處于春秋舒適型氣候區(qū),舒適性年內(nèi)分布呈現(xiàn)“M”型變化[6,9],這與本文研究結(jié)果相似,而且大部地區(qū)氣候舒適指數(shù)及舒適期近50年呈增加趨勢(shì),主要受到區(qū)域氣候變化的影響,其中春秋降水和氣溫變化,尤其是北方地區(qū)春季降水增多和氣溫升高(圖11)是區(qū)域氣候舒適性提高的重要?dú)夂蛞蛩刂弧?/p>

圖11 河北1966—2015年春季降水量和氣溫的變化趨勢(shì)Fig.11 Trend of change of spring precipitation and air temperature in the Hebei province from 1966 to 2015

京津冀地區(qū)氣候不僅受所屬區(qū)域大氣候背景的影響,而且也反映了國(guó)家政策、區(qū)域生態(tài)恢復(fù)措施等人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的作用。近幾十年以來(lái),京津冀地區(qū)廣泛開(kāi)展生態(tài)建設(shè)和生態(tài)修復(fù)工程,持續(xù)實(shí)施了“太行山綠化”、“三北防護(hù)林”以及退耕還林等措施。研究顯示2005—2015年京津冀植被覆蓋度呈明顯上升趨勢(shì)[45],區(qū)域內(nèi)林地和水體面積均出現(xiàn)增加,其中林地增幅高達(dá)69%[46],利于京津冀氣候舒適度改善提高。但從京津冀三地多年變化來(lái)看,天津氣候舒適度變化幅度偏高。天津作為我國(guó)北方沿海城市,受大陸季風(fēng)氣候和海洋氣候的影響[47],加之人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域氣候的作用,特別是近年來(lái)濱海新區(qū)城市化進(jìn)程的迅猛發(fā)展,對(duì)城市氣候變化的影響日趨明顯[48],進(jìn)而引起區(qū)域氣象條件變化偏大,推動(dòng)了天津氣候舒適度變化幅度的增高。

不同氣象要素對(duì)人體產(chǎn)生不同的生理影響,各要素的組合對(duì)人體產(chǎn)生一個(gè)綜合的整體影響[1]。在各種氣候要素中,人體氣候舒適感主要受到氣溫、濕度、風(fēng)力的影響,直接涉及到人體與外界環(huán)境的熱量與水分交換[49-50],但氣候舒適感還受到氣壓、空氣含氧量、紫外線(xiàn)輻射以及空氣質(zhì)量等要素的影響[7,38],特別是對(duì)山區(qū)和高原地區(qū)的舒適度影響更為顯著[21,38]。本文利用基于三種氣候指數(shù)所構(gòu)建的綜合指數(shù),能在一定程度上體現(xiàn)區(qū)域氣候舒適程度,但其構(gòu)建方法以及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),特別針對(duì)某一特定區(qū)域,仍需要進(jìn)一步細(xì)化研究,而且在分析過(guò)程中也未能考慮紫外線(xiàn)輻射、空氣質(zhì)量等其他氣象因素的影響,有待以后深入研究。

4 結(jié)論

本文基于1966—2015年的逐日溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)、著衣指數(shù)及其所構(gòu)建的綜合指數(shù),對(duì)京津冀地區(qū)氣候舒適期的時(shí)空分布特征的進(jìn)行了探索,得到結(jié)論如下：

(1)京津冀間氣候舒適性指數(shù)50年來(lái)的變化趨勢(shì)基本相同,溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)整體呈上升趨勢(shì),著衣指數(shù)呈下降趨勢(shì),而綜合指數(shù)呈增加趨勢(shì),表明京津冀年氣候舒適性均有所增加,并向偏暖等級(jí)變化,其中天津舒適度指數(shù)變化幅度最為明顯,北京變化相對(duì)平穩(wěn)。

(2)京津冀氣候舒適和較舒適等級(jí)的日數(shù)主要分布在3—11月；其中溫濕指數(shù)顯示,5月A等級(jí)舒適日數(shù)最多9—10天；風(fēng)效指數(shù)顯示,9月A等級(jí)舒適日數(shù)最多11—13天；著衣指數(shù)顯示,5月和9月A等級(jí)舒適日數(shù)均偏多,每月達(dá)到21—23天。而綜合評(píng)價(jià)顯示,京津冀地區(qū)氣候舒適期在年內(nèi)分布呈“M”型,4—5月、9—10月的舒適和較舒適等級(jí)的日數(shù)相對(duì)集中,各地符合這兩個(gè)等級(jí)的月均日數(shù)達(dá)到28天以上,其中舒適等級(jí)日數(shù)5月最多,達(dá)到24—26天,屬于全年中舒適程度最高的月份；北京年平均舒適等級(jí)日數(shù)最多(平均為100天),天津最少(平均為91天)。

(3)從氣候舒適度指數(shù)的舒適期變化來(lái)看,京津冀舒適和較舒適等級(jí)的初始日期大多呈顯著的提前趨勢(shì)；終止日期和天數(shù)大多略呈增加,但變化趨勢(shì)不顯著。而氣候適宜綜合評(píng)價(jià)顯示,京津冀初始日期也均呈提前趨勢(shì),其中較舒適等級(jí)大約每10年提前3—4天；天津和河北終止日期增加趨勢(shì)也達(dá)到顯著水平,大約每10年推遲1—2天,但北京增加趨勢(shì)不明顯；舒適等級(jí)天數(shù)略有減少,較舒適等級(jí)天數(shù)略有增加,僅河北較舒適等級(jí)天數(shù)增加趨勢(shì)達(dá)到顯著水平；舒適率略有下降,僅河北和天津舒適等級(jí)的舒適率顯著下降。

(4)京津冀氣候舒適期的空間分布顯示,舒適等級(jí)日數(shù)從西北向東南地區(qū)呈減少特征,河北北部地區(qū)舒適等級(jí)年平均日數(shù)最多,達(dá)115—120天,東南部最少,不足90天；較舒適等級(jí)日數(shù),西北和東南地區(qū)最少,不足90天,其余地區(qū)90—100天。