渤海湾沿岸不同规模城市人体舒适度时空变化特征

钞锦龙,顾卫,刘敏,李颖,梁爱民

(1.太原师范学院 地理科学学院,山西 榆次 030619;2.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875;3.辽宁师范大学 城市与环境学院,辽宁 大连 116029)

渤海湾沿岸不同规模城市人体舒适度时空变化特征

钞锦龙1,2,顾卫2*,刘敏1,李颖3,梁爱民1

(1.太原师范学院 地理科学学院,山西 榆次 030619;2.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875;3.辽宁师范大学 城市与环境学院,辽宁 大连 116029)

为分析渤海湾沿岸不同规模城市在城市化进程中区域人体舒适度的时空变化特征,研究按行政级别选出三个规模级别城市:直辖市(天津);地级市(唐山、沧州、东营);县级市(县)(霸州、黄骅、乐亭、饶阳及惠民)。依据各城市1980-2013年间气温、相对湿度及风速的月平均值,计算出各城市1980-2013年间各月份人体舒适度指数(HCI)。结果表明:渤海湾沿岸4月～6月上旬及8月上旬～10月上旬为区域城市人体感觉舒适时段。为分析不同规模城市人体舒适度在冷、热季的差异,以人体舒适区(51≤HCI≤75)为界将年内其余时段分为冷季和热季，结果显示:不同规模城市间人体舒适度的差异在冷季差异较大,热季差异较小;冷季,1980-1996年间海陆差异明显,1997-2013年间却呈现出明显的斑块状;热季,人体舒适度空间分布格局在前后两个时段无明显变化,均表现为海陆梯度渐变特征。

渤海湾;不同规模城市;人体舒适度指数;时空变化

0 引言

随着城市化的发展,人口和经济活动在区域间的流动和迁移日益频繁,作为人口和产业活动高度集聚的沿海地区,区域城市人居环境在城市化推进过程中发生相应的变化。伴随城市规模及建筑密度的增大,住宅、交通等非农业用地比例上升,而农用地、林地及草地面积不断缩小。下垫面性质的改变会引起区域内气象要素发生相应的时空变化。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)通过先后五次对全球气候变化的评估指出:全球气温在近100年来逐渐变暖，其中北半球中高纬度地区为气温上升最剧烈地区。而作为拥有世界人口90%的北半球来说,其人口又集中分布在20°N-40°N的亚热带和温带地区,沿海平原地区尤为集中。中国拥有纬度位于4°N-53°N,长度达1.8万km的大陆海岸线,沿海地区以其优越的自然条件和政府的支持,吸引了大批人口和产业向海岸带地区聚集。我国约有4亿多人口生活在沿海地区,创造了60 %以上的国民生产总值[1]。

渤海湾地区作为京津海上门户、华北海运枢纽之地,在环渤海地区整体发展战略中优势明显,人口及产业不断聚集使区域内土地利用方式和下垫面性状发生显著变化,尤其是国家级开发区的建设及区域城市化水平的提升,使区域下垫面气象要素随之发生改变。石龙宇等针对沿海地区城市土地利用方式的转变及城市化过程进行研究,何春阳等借助于遥感技术及国际上先进的夜间灯光MODIS数据分析区域城市化进程[3-6]。随着城市化进程的不断发展,研究区农用地及具有调节区域气候、降低区域污染的滨海湿地面积日益减少,这对海岸带滩涂湿地生态系统,尤其是人类居住周边环境产生巨大的破坏作用；同时,随着公众对于人居环境的关注与重视,区域人居环境的时空变化特征,尤其是直接影响人体感知的气象舒适度备受关注。相关学者已就城市化进程中下垫面性质改变对区域内热量和水分条件的影响做出大量实证研究[7-16]，结果表明：人类居住环境气候舒适度主要受区域水热条件状况影响。此外,利用主要气象要素反映区域水热状况已被广泛应用于区域气候对人体健康的影响评价、人居环境气候舒适度评价以及人体舒适度指数的计算[17-21],并且受到了极大的认可，然而有关渤海湾沿岸区不同规模城市人体舒适度在区域城市化进程中表现出的时空变化特征研究较少。本研究以渤海湾沿岸地区9个不同规模城市为研究对象,选取各城市1980-2013年气温、风速、相对湿度月均值数据,计算分析渤海湾沿岸地区不同规模城市人体舒适度时空变化特征,以期为合理开发渤海湾沿岸地区提供相应借鉴；同时,城市内部人体舒适度时空变化特征也可作为城市总体规划及建设格局的依据科学基础。

1 区域概况

渤海湾为三面环陆的半封闭性海湾,纬度约为38°05′N-39°13′N,由于靠近蒙古高原,气候为显著的大陆性季风气候,冬寒夏热,四季分明,气温年变差大,降水集中在夏季,其中7、8月份降水量约占年降水量的64%-68%。研究区多为河流冲积平原,地形平坦开阔,交通便利,为区域的快速发展提供了必要的前提条件。

Fig.1 The spatial distribution and elevation of the selected cities图1 所选城市空间分布及区域高程示意图

近些年,国家海洋战略的提出为渤海湾沿海地区的发展提供一次良好的机遇。渤海湾作为京津海上门户、华北海运的枢纽,是环渤海地区经济社会发展的重要支撑。随着港口航运、矿产与能源开发以及工业和城镇的快速发展,渤海湾地区已成为我国北部沿海的重要港口物流基地,“十二五”期间作为环渤海区域经济核心区,为区域经济实力和战略地位的提升做出较大贡献。

研究所选9个城市均位于渤海湾沿岸平原,平均海拔约为10 m,且各城市距海岸较近,分别为天津市、唐山市、沧州市、东营市、霸州市、黄骅市、乐亭县、饶阳县以及惠民县,其中除霸州市和饶阳县之外,其余7个城市均在距海岸75 km范围之内,均会受到海陆风的影响[22]。在海拔、地形特征及气候背景相似的前提下,城市间的水热条件差异会因城市规模而不同，其中,所选城市按行政级别分为三个不同等级:直辖市(天津市),地级市(唐山市、沧州市和东营市),县级市(县)(霸州市、黄骅市,乐亭县、饶阳县和惠民县)(图1)。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

各城市1980-2013年各月平均气温、平均相对湿度及平均风速均来源于中国气象科学数据共享服务网，还查阅中国城市统计年鉴、中国县(市)社会经济统计年鉴以及各城市国民经济和社会发展统计公报等。

2.2 研究方法

人体舒适度指数(Human Comfort Index，HCI)是建立在气象要素预报的基础上,是反映多数人群身体感受的综合气象指标。有关其计算方法较多,本研究采用可适用于我国北方城市的计算模型[22-24]，公式如下:

(1)

式中,t为平均气温(℃),f为相对湿度,v为风速(m/s)。HCI分为9级,当值为59-70范围内时为0级,人体感觉最为舒适。当值>75或<50时,人体会因感觉偏热或偏凉而感觉不舒适。HCI∈[50,59)∪(70,75]时,人体感觉较为舒适,具体分级见表1。

表1 人体舒适度指数等级

人体舒适度主要是根据人类机体与大气环境间的热交换而制定的生物气象指标。HCI综合考虑主要气象要素对人体舒适感的影响,通过HCI计算值来间接判断区域人居气象环境的优劣。HCI的高低受城市内部水热条件组合的优劣决定。

在分析区域人体舒适度的空间变化时,为体现不同城市化发展阶段人体舒适度空间分布特征的差异,将研究时段平均分为前后两个时段:1980-1996年;1997-2013年。用Arcgis软件做出研究区城市在前后两个时段内的人体舒适度空间分布,以表征在区域不同发展阶段不同规模城市内部人体舒适度的空间变化特征。

3 结果与分析

3.1 人体舒适度年内变化特征

依据公式(1)计算得出所选城市1980-2013年间HCI年内各月份的平均值。依据HCI划分标准,得出人体感觉较为舒适时段为:4月～6月上旬及8月上旬～10月上旬(图2)。

Fig.2 Monthly mean HCI and the division of the HCI among the year for selected area during 1980-2013图2 1980-2013间研究区各城市HCI月均值及人体舒适度年内划分

由于研究区紧邻海洋,且处于世界上最大海洋与陆地的交界处，冷暖季盛行风有明显差异。区域城市内部在冷暖季条件下人体舒适度也会呈现较为明显的地域特色。因此,为了分析不同规模城市间人体舒适度受冷、暖季的影响,以人体最舒适区(59≤HCI≤70)为分界,取高于舒适区时段为热季,其时段内各月份人体舒适度指数均值为热季舒适度指数HI(Hot Index);低于最舒适区为冷季,其时段内各月份人体舒适度指数均值为冷季舒适度指数CI(Cold Index)。此外，分别计算1980-1996年与1997-2013年HI、CI值,分析不同城市化阶段因城市化水平不同而呈现出的人体舒适度在冷季、暖季的差异。以此反映出不同城市化水平下的城市水热条件在冷季与暖季对人体舒适度的差异影响。

3.2 不同规模城市人体舒适度时间变化特征

从图3可以看出,不同规模城市人体舒适度会因城市化水平不同而有差异,且差异程度会因冷热季的不同而变化。总的来说,直辖市人体舒适度整体呈下降趋势,而地级市和县级市(县)表现为波动性上升。其中地级市上升率最大，这与诺瑟姆关于城市化进程规律的理论相符合[30]。地级市处于城市化的高速发展阶段,人类对城市下垫面的干预强度最高,大批人口的迁入和非农用地的迅速增多,城市“热岛效应”表现明显,从而影响了城市气象要素变化特点,改变了城市的人体舒适度。直辖市由于城市化水平较高(接近70%),城市发展进入成熟期,随着城市内部绿地面积的增多及合理的城市规划,城市通过潜热和显热向外的热排放逐渐增多,从而缓和“热岛效应”，如水体、绿地面积的增多,新型可渗透路面的铺设以及城市风道的设计。

注:地级市2008年开始HI下降是由于东营市气象观测站由原来东营市迁于垦利县所致Fig.3 Changing characteristics of human comfort index in cold and hot seasons in different cities图3 不同规模城市冷、热季人体舒适度指数变化特征

不同规模城市间人体舒适度的差异在冷、热季也呈现出较大差异,表现为:冷季差异大,热季差异小。这与研究区地处于渤海西岸,深受季风影响有关,尤其是海陆风的影响。渤海西岸地区,冬季海陆风持续时间比较短,夏季较长,且夏季海岸带与内陆的风速差大于冬季[25],加之所选城市基本处于距海75 km的范围内,这使得热季时段区域因受海洋的均匀化影响从而减弱了不同规模城市间的人体舒适度差异；同时,还与研究区气温在不同季节内的变化特点密切相关:春秋季气温变化幅度较大且迅速,夏季气温变化缓慢[31],这使得区域城市内部热量因素的变化呈现出明显的季节性。

由于9个城市中有5个城市为县级市(县),相关统计数据不易获取,依据年鉴及公报*注:数据来源于依据中国城市统计年鉴、中国县(市)社会经济统计年鉴以及各城市国民经济和社会发展统计公报等数据并参考城市化水平的定义[26-29],根据非农人口所占总人口比重得出各规模城市城市化水平(图4)。

Fig.4 The urbanization process of each city in the study area图4 研究区各城市城市化水平进程

依据图4的城市化水平,把所选城市分为3级是合理、客观的。从图4可以看出:直辖市、地级市及县级市(县)之间的城市化水平差异明显，其中直辖市城市化水平最高,但城市化进入成熟期,发展速度较缓慢;地级市城市化水平居中,但在政府政策的指导下,拥有较强实力且发展空间广阔的地级市城市化发展速度强劲;而县级市(县)由于资金等条件的制约,城市化水平较低,但在国家鼓励中小城市发展的政策支持下,地方政府充分发挥当地优势,城市化水平在近十年来发展较快,尤其是县级市。

3.3 不同城市化阶段人体舒适度空间变化特征

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)图5 冷暖季条件下研究区不同城市化阶段人体舒适度空间分布特征(a,b为冷季;c,d为热季)

为分析人体舒适在空间内的变化特征,依据研究区域城市化过程的发展特点,把研究时段分为前后两段:1980-1996、1997-2013。分别取不同规模城市在两个时段内HI均值和CI均值作为不同城市化水平下的人体舒适度值,结果表明:渤海湾沿岸区域城市内部人体舒适度在不同城市化阶段的空间分布差异冷季大于热季,同时在城市化发展不同阶段冷热季人体舒适度空间格局变化差异较大(图5)。

在冷季(1980-1996年)城市人体舒适度具有明显的海陆差异变化,说明此时段自然的海陆差异大于人类活动引起的下垫面改变所致的差异;1997-2013年,人体舒适度空间分布特征呈现出明显的局域化。其中距海较远的沧州、饶阳和霸州以及城市化发展速度最快的东营市成为人体舒适度较高的地区,这主要因在城市化过程中,人口、交通运输及各类产业废热的排放,尤其是受区域所在北方城市冬季取暖的影响,使城市化水平较高的地区城市气温升高。同时,建筑密度增大,尤其是不合理的城市规划建筑会阻挡风穿过城市的能力,不利于城市废热和湿气的释放,从而提高城市冷季的人体舒适度。在热季,区域城市人体舒适度在前后城市化阶段虽然总体有所上升,但空间的分布格局变化小。前后两个时段仍表现为明显的海陆差异梯度变化,即人体舒适度自海向内陆呈“C”型或经向型升高,且过渡特征在1997-2013年更加明显。这与研究区在暖季气温、湿度和风速受海陆风的影响有关。随着距海距离的增大,风速、湿度减小,温度升高,HCI值增大。1980-1996年,由于自然植被覆盖度高,尤其是东营所在的黄河入海口滨海湿地的大面积分布,使水热条件除受海陆格局的影响外,还受下垫面的较大影响。随着城市化的发展,大面积的草-林地、农用地及天然湿地被开发转变为非农用地,下垫面性质剧烈改变干预了区域内部热量和水分的平衡,从而改变了城市人体舒适度。表现为1997-2013年区域水分来源主要受海洋影响,加大海陆差异。

总体来说,渤海湾沿岸区域处于季风区,冬季受来自西北内陆的冷干气团控制,寒冷干燥。夏季受来自太平洋副热带海洋的气团控制,高温湿润。在年内具有明显的冷季和暖季之分。其中海洋无论在暖季还是冷季,均对沿海城市温度和湿度具有调节作用。这些城市受海陆风的影响,海洋的作用暖季明显大于冷季,从而使暖季人体舒适度的空间分布较冷季具有明显的海陆差异。

4 结论

(1)通过人体舒适度指数(HCI)计算结果,得出渤海湾沿岸城市区域内人体感知舒适时段为4月-6月上旬及8月上旬-10月上旬。以上两个时段气温较为温和,降水量适中,风速较大,人体感知较为舒适。

(2)人体舒适度变化特征因城市规模有差异:直辖市在1980-2013年间整体呈下降趋势;地级市和县级市(县)表现为波动上升。其中城市化发展速度最快的地级市上升幅度最大,不利于人类居住舒适度的提升。此外,受海陆风的影响,不同规模城市间人体舒适度的差异在冷季较大,热季差异小。

(3)在城市化发展的不同阶段,人体舒适度空间格局在冷、热季差异较大。冷季,区域城市内部人体舒适度在1980-1996年间表现为明显的海陆差异变化,但1997-2013年间呈现出明显的地域化;热季,区域城市内部人体舒适度在后一时段虽然总体有所上升,但空间的分布格局变化较小,表现为明显的海陆差异梯度变化,即自海向内陆呈“C”型或经向型升高。

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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

国家863计划课题(编号:2011AA100505); 地表过程与资源生态国家重点实验室项目(编号:2014-ZY-01)

钞锦龙,男,山西吕梁人,博士,主要从事海岸带自然资源开发与利用。

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

P9；C912.81；X21

A

0253-2395(2017)02-0388-07