宜昌市夏季气候舒适性分析

孔德亚，黄建武，王维高，刘子豪

(1.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，湖北 武汉 430079 2.华中师范大学可持续发展研究中心，湖北 武汉 430079)

气候是重要的资源，是人们出行考虑的重要因素。适宜的气候不仅适宜旅游活动，而且对于出行人的身体健康具有重要影响。气温、相对湿度和风速等气象要素对人体舒适感觉的影响最大[1]。考虑温度、相对湿度和风速的单因素以及综合要素对气候舒适度的影响很有必要。宜昌市位于湖北省西部,是湖北省属副中心城市，人文旅游资源丰厚富足[2]，境内有4处国家5A级旅游景区，数量居全国城市第四,是优秀的旅游城市。该市属于亚热带季风气候区，夏季空气湿润，是高温、强光照季节[3]。同时夏季是旅游的旺季，也是人体对舒适度最敏感的季节[4]。对宜昌市夏季气候舒适度的特征进行分析和评价，可以为宜昌市旅游规划提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文所用气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网，选取宜昌国家基准气候站(111°31′ E,30°73′N,海拔133.1 m)1986—2015年间夏季气象资料(气温、风速、湿度)进行分析。季节划分以6～8月为夏季。

1.2 研究方法

在本文中主要采用模糊评判和人体舒适度指数计算模型两种方法,都是主要基于气温、风速和湿度三种气象要素的气候舒适度评价方法。气候舒适度受多种气象要素的影响,要素之间相互联系,不同要素对舒适度的影响程度不同,所以问题本身很复杂。模糊评判[5-7]是解决这种问题的有效方法，对多因素多层次的复杂问题评判效果较好。人体舒适度指数计算模型则主要是考虑了气温、风速、湿度等气象要素对人体的综合作用[8]，通过公式计算和舒适度等级划分标准确定气候舒适度情况。模糊评判和人体舒适度指数计算模型都能考虑气温、风速和湿度的综合影响，只是模糊评判先给与气温、风速和湿度不同权重系数，还可以分析出各单因素的影响。

1.2.1 模糊评判

对宜昌市夏季气候舒适度的评价采用模糊评判的方法，选取该市1986—2015年夏季逐日平均气温、平均风速和平均相对湿度作为评价的气象要素。选定因素的论域为U=(气温t，风速v，相对湿度f)。评价的论域为A=(很舒适B1，舒适B2，较舒适B3，不舒适B4)。

参照参考文献[9]， 以平均气温24 ℃、平均风速2 m/s以及相对湿度70%作为人体最舒适的小气候条件。根据宜昌市气候特点以及王雁等[10]对湖北省夏季模糊评判所采取的的指标，把气温24 ℃、风速 2 m/s和适度70%作为最舒适小气候。对宜昌市温度、风速和湿度要素建立的隶属函数方程如下。

(1)

(2)

(3)

将气象要素值分别代入各隶属函数方程，求出气温、风速和湿度的隶属函数值。根据文献[10]将隶属函数值的大小规定为：U≥0.85很舒适；0.85>U≥0.75舒适；0.75>U≥0.60较舒适；U<0.60不舒适。

建立U到A的单因素评判矩阵R，R中每个元素是U中各个因素隶属函数值对应A中各个等级的个数在该因素中所占的百分比。

例如以宜昌市1998年7月份资料为依据，把7月份逐日气象要素代入(1)、(2)、(3)式中，根据上述隶属值大小规定的舒适度等级划分标准，宜昌市7月份各气象要素属于很舒适、舒适、较舒适、不舒适的次数分别为1、3、10、16；6、8、9、7；16、8、4、2。其在30年记录中所占百分比分别为 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月夏季单因素评价矩阵为：

所以，同理可以得到宜昌市1986—2015年夏季单因素评价矩阵：

人体对气候环境的感觉是受多种气象因素影响的综合反应，这就需要做出综合评判。其中影响人体舒适度的多种要素并不是同等重要，经过前人研究及经验总结[10-12]，选取气温、风速、相对湿度3种气象要素对夏季人体舒适度影响的权重分配为(0.60,0.20,0.20)，建立U的一个模糊子集V,由B=V·R得出人体舒适度的综合评判结果，见表1。

表1 宜昌市夏季舒适度模糊评判(1986—2015年)Table 1 Fuzzy evaluation of summer comfortability in Yichang (from 1986 to 2015)

1.2.3 气候舒适度结果分析

综合评判的前3项之和(B1+B2+B3)表示气候环境的宜人程度。宜昌市6月份的平均气温为25.4 ℃，很接近人体感觉最舒适的温度，在3个月份中很舒适指数最高达到0.412，不舒适指数也最低为0.251，前3项之和为0.749，宜人程度高。整体看宜昌市6月份气候舒适性较好。7月份平均气温为27.9 ℃，平均相对湿度为80%。不舒适指数是3个月中最高值为0.413，很舒适指数为0.3，舒适和较舒适指数都为0.1左右，舒适度指数比6月份减少较多，说明7月份气候舒适性总体不如6月份。8月份平均气温为27.2 ℃，平均相对湿度为78%。很舒适指数在0.3左右，不舒适指数为0.374，8月份的气候舒适性比7月份有所提高。从宜昌市夏季综合情况来看，前3项之和为0.65，不舒适指数为0.35，总体看宜人程度较好。由宜昌市1986—2015年夏季单因素评价矩阵可以看出，气温、风速和湿度造成的不舒适指数分别为0.416、0.321和0.167。所以宜昌市夏季不舒适性主要由气温造成的、其次是风速、最后是湿度。

1.3 人体舒适度指数

人体舒适度指数ICHB是运用较为普遍的评价模型。其人体舒适度指数公式如下。分级标准见表2。

(4)

其中，t为气温，℃；HR是相对湿度，%；V是平均风速，m/s。

表2 宜昌市人体舒适度指数的等级划分标准Table 2 Classified standards of human comfort index ICHB in Yichang

从图1中可以看出宜昌市1986—2015年夏季人体舒适度指数的变化情况，6～8月份的ICHB范围分别是68～74、71～77、70～76，感觉程度基本为偏热、较热和热的气候。其中在30年中6月份偏热年份占到10%，较热年份占到90%。7月份的平均人体舒适度指数最高，30年中较热年份占到90%，热的年份占到10%，7月份年气候舒适度较差。8月份在30年中都是较热的年份。可以看出6月份明显比7、8月气候舒适性较好。这与综合评判得出结论相同。另外，除8月份有略微下降趋势外。在30年中宜昌市夏季人体舒适指数变化不明显。

图1 宜昌市1986—2015年夏季人体舒适指数年际变化Fig.1 Annual variation of summer human body comfort index in Yichang from 1986 to 2015

1.3.1 通径分析法

气温、风速、湿度是对人体舒适度影响最为重要的因素，但这3种因素对人体舒适感的影响并不相同，从综合评判法给予这三种要素的权重分配中也可以看出，其作用程度因时因地而异。所以采用通径分析法对温度、风速、湿度与ICHB之间的关系进行比较，分析出每一个影响因子对ICHB的直接影响以及一个影响因子通过另一个影响因子对ICHB产生的间接影响。进而，可以验证综合评判法给予气温、风速和湿度不同的权重系数是否适合。

通径分析法(path analysis)[13]是简单相关分析的延续，是在多元回归的基础上将相关系数加以分解，通过直接通径、间接通径系数分别表示某一变量对因变量的直接作用效果以及通过其他变量对因变量的间接作用效果[14]。通径分析是把每一个自变量xi与因变量y的相关系数ri，分解成xi对y的直接通径系数ki和xi通过其他变量xj对y的间接通径系数rjikj[15]。

从表3得知，温度与ICHB之间存在非常显著的正相关关系，相关系数达到0.874。风速和湿度与ICHB呈负相关关系，相关系数分别为-0.524和-0.430。温度的直接通径系数最大，达到了0.838，说明温度对ICHB的正影响最大。风速的直接通径系数为负值，说明风速对ICHB产生负影响。风速通过温度对ICHB的间接通径系数也为负值，且绝对值非常小，表明风速通过温度对ICHB的间接影响较小。温度和湿度通过风速对ICHB的间接影响也非常小，所以宜昌市风速对人体舒适度指数的间接影响非常小，对人体舒适度的直接影响则为负作用。湿度与ICHB的直接通径系数非常小，而湿度通过温度对ICHB的间接影响的绝对值可以达到0.419 8，说明湿度对ICHB的负影响是通过温度间接产生的，而对ICHB的直接影响较小。3个影响要素中，温度直接影响ICHB，且主要为正作用；湿度则通过温度间接影响ICHB；而风速直接影响ICHB为负作用，通过温度对ICHB的间接影响较小。这与综合评判法一样，都是温度对人体舒适度的影响最大。

表3 人体舒适度指数与温度、风速和湿度的通径系数Table 3 Path coefficient of ICHB with temperature, wind speed and humidity

从表3中看出,风速与温度和湿度的间接影响较小，且直接影响为负值,所以探讨不考虑风速情况下温度和湿度与人体舒适度的通径系数。从表4中可以看出,温度和湿度与ICHB的相关系数与表3相同。温度的直接通径为0.887，说明不考虑风速情况下温度对ICHB直接正影响有所提高。湿度的直接通径系数依然为0.011,湿度通过温度对ICHB间接通径系数为-0.440 4，比表3也有所提高。可以看出在不考虑风速情况下，温度、湿度与ICHB的通径系数与在考虑风速情况下的通径系数变化不大。而且,在表3中宜昌市风速对ICHB的影响为负作用，所以宜昌市风速可以看做不是ICHB的影响因素。

表4 人体舒适度指数与温度和湿度的通径系数Table 4 Path coefficient of ICHB with temperature and humidity

1.3.2 宜昌市夏季较热天数

夏季是人们出行的高峰期，同时也是人体对舒适度最为敏感的季节。分析出夏季较热的天数可以给公众提供具体参考的信息。

图2给出了宜昌市夏季人体感觉较热(舒适度等级为7级) 天数的时间序列。可以看出，在1986—2015年，宜昌市夏季较热天数为明显的上下波动变化而无明显的上升和下降趋势。6、7和8月份平均较热天数分别为18 d、19 d和21 d。6月份较热天数≥15 d的年份占到83%，较热天数≥20 d的年份占到33%，较热天数≥25 d的年份占到6%。其中2002年较热天数为30年来的最高值，高达26 d，2015年较热天数为30年以来的最低值，只有5 d。 7月份平均较热天数在1990和2013年是最低值为10 d，而在1995—2010年平均较热天数基本保持在20 d左右，2008年较热天数最高达到了29 d，其中较热天数≥15 d的年份占到95%，较热天数≥20 d的年份占到37%，较热天数≥25 d的年份占到13%。8月份较热天数上下波动变化较大。其中较热天数≥15 d的年份占到83%，较热天数≥20 d的年份占到70%，较热天数≥25 d的年份占到33%。其中2000年较热天数是最高值，高达29 d，2003年平均较热天数为最低值，有10 d。通过分析可以看出，8月份的较热天数是最多的，平均较热天数比7月份多2 d，比6月份多3 d，而且较热天数≥25 d年份比率也最高，其次是7月份，最后是6月份。

图2 1986—2015年夏季宜昌市人体感觉较热的天数Fig.2 The number of days when the body feels hotter in summer in Yichang from 1986 to 2015

3 结论与讨论

本文分别采用了模糊评判和人体舒适度指数对宜昌市夏季舒适度情况做了分析。模糊评判法不仅可以以气温、风速、相对湿度为单因素的舒适度评判，还可以进行综合评判，这就可以从不同气象因素以及综合要素来分析各地区的舒适度等级分布情况[16]。人体舒适度指数的公式法能得出人体舒适度指数值，需要通过通径分析法来评价各个因子对舒适度的影响程度。模糊评判法中各因素对人体舒适度的影响地位并不相同，气温是首要因素，其次才是风速和湿度。人体舒适指数虽然无法直接得出各个因子的影响程度，但通过通径分析法也得出气温对人体舒适度的影响最大，湿度通过温度对人体舒适指数的影响也很大。

两种方法计算结果略有差异。模糊评判法得出宜昌市的不舒适性主要是气温的影响，其次是风速、最后是湿度。人体舒适度指数模型也认为气温对人体舒适度的影响较大，但湿度通过温度对人体舒适度的影响要高于风速通过温度对人体舒适度的影响。另外，模糊评判法得出6月份的舒适性最好，这和人体舒适度指数计算模型的结论相同。区别在于7月份和8月份，模糊评判法得出8月份的舒适性要高于7月份。而人体舒适度指数得出8月份的平均较热天数较多，比7月份多2 d，较热天数≥25 d年份的比率也比7月份高，得出8月份的舒适性较差。

两种方法虽略有差异，但结论基本一致。6月份，宜昌市气候很舒适、舒适以及较舒适之和达到了0.74以上。平均人体舒适度指数是72，平均较热天数为18 d，较热天数≥25 d年份的比率为6%，宜昌市6月份气候还是较适宜的。7月份平均气温和平均相对湿度较高，很舒适、舒适及较舒适之和为0.587，平均人体舒适度指数为76，平均较热天数有19 d，较热天数≥25 d年份的比率为13%，气候舒适性比6月份差。8月份平均气温较7月份略有下降，很舒适，舒适和较舒适之和也比7月份有提升为0.626。平均人体舒适度指数为75，平均较热天数为21 d，较热天数≥25 d年份的比率为33%，这是3个月中最高的。综合来说宜昌市早夏的气候是较宜人的，适合人们出行旅游。

此外，虽然温度、风速和相对湿度对人体影响较大，但其他气象要素比如气压、日照、降水等对人体舒适度也有影响。所以，气候舒适度模型有待进一步研究。