１９８８—２０１７年韶山人体舒适度变化特征

2019-07-22孟蕾桑友伟

湖北农业科学 2019年11期

孟蕾　桑友伟

摘要：为向湖南省韶山红色旅游资源利用提供值得参考的科学依据，选取韶山1988—2017年逐日气象数据进行分析，通过计算保证率、气候倾向率并利用Mann-Kendall检验方法进行趋势检验和突变检测分析当地人体舒适度指数变化特征。结果表明，韶山整体呈现舒适特征，年平均舒适时间最多，冷不舒适时间次之，热不舒适时间最少，且寒冷和炎热等级的时间极少，无酷热情况出现;但近30年来年平均人体舒适度指数显著上升，虽然年舒适时间变化不大且寒冷和炎热等级时间均呈减少趋势，但冷不舒适时间显著降低，相应时段结束日期显著提前，同时热不舒适时间显著增加，相应时段的结束时间显著延后，突变检测进一步表明，进入21世纪的前10年，冷、热不舒适程度的这种变化趋势更加显著。

关键词：人体舒适度;Mann-Kendall检验;突变检测;保证率;韶山

中图分类号：P463.1 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）11-0061-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.11.014 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The variation characteristics of human comfort index in Shaoshan from 1988 to 2017

MENG Lei，SANG You-wei

（China Meteorological Administration Training Centre Hunan Branch，Changsha 410125，China）

Abstract： In order to provide scientific basis for the utilization of red tourism resources in Shaoshan， Hunan Province， daily meteorological data from 1988 to 2017 were selected to analyze the variation characteristics of local human comfort index by calculating the guaranteed rate， climatic tendency rate and trend testing and mutation detection of Mann-Kendall test. The results showed that Shaoshan presented comfortable characteristics as a whole， the maximum number was the annual average comfortable days， the second was the cold uncomfortable days， the minimum number was the thermal uncomfortable days， and the days of the cold and hot grades were very few， no extremely hot conditions. However， in the past 30 years， the annual average human comfort index had increased significantly， although the days of annual comfortable day changed little and the number of cold and hot grades days showed a decreasing trend， but the number of cold uncomfortable days decreased significantly， the end date of the corresponding period was significantly ahead of schedule， and the number of thermal uncomfortable days increased significantly， and the end date of the corresponding period was significantly delayed. The mutation detection further showed that in the first ten years of the 21st century， the trend of change of cold and hot discomfort condition was more significant.

Key words： human comfort index; Mann-Kendall test; mutation detection; guaranteed rate; Shaoshan

湖南省韶山作为毛主席家乡和中国四大革命纪念地之一，于2014年成为全国首家红色旅游融合发展示范区，加速了韶山旅游资源整合并以红色旅游带动农业、工业和其他产业发展的進程[1]。同时韶山旅游客流量呈现显著的季节性特征[2]，游客在选择旅游地时对当地的舒适度日益看重[3]，因此研究韶山的人体舒适度变化特征对当地进一步提升红色旅游质量具有十分重要的意义。

人体舒适度指数是从气象角度评价人类在不同气候条件下舒适感的一项生物气象指标[4]，一般用气温、湿度和风速3个指标表征人体对空气环境感觉是否舒服的程度[5]。近年来，已有众多学者对各地人体舒适度指数的时空分布和变化特征进行了深入研究，如长江三角洲、青海、河南、山东、甘肃、辽宁、山西、福建等不同地区的研究人员根据当地地理位置和气候条件采用合适的计算公式分析人体舒适度特征[5-12];郑有飞等[13]、吴兑[14]则在如何计算和选择人体舒适度指数公式方面进行了重点分析;同时随着人们对室内环境舒适度的重视，李玉姣等[4]还研究了不同天气条件下温湿度对室内外人体舒适度的影响，这些研究都为对居住、旅游环境进行综合评价提供了非常好的参考。本研究利用韶山近30年的气象资料，对当地人体舒适度指数变化特征进行分析研究，旨在为韶山红色旅游与产业融合过程中合理利用自然资源，促进红色文化与自然环境协调发展提供科学依据。

1 资料选取与方法

1.1 资料来源

选取1988—2017年韶山观测站的逐日气象资料，包括日平均气温、日平均湿度和日平均风速3个气象要素的数据，并计算人体舒适度指数。

1.2 人体舒适度指数计算方法

选用中国气象台常用的KSSD经验公式计算人体舒适度指数[5]，并根据中国气象局人体舒适度指数等级标准对韶山的人体舒适度进行分级别讨论，人体舒适度指数计算公式如下：

ICHB=（1.8×T+32）-0.55（1-）×（1.8×T-26）-3.2× （1）

式中，ICHB为人体舒适度指数;T为日平均温度（℃）;RH为日平均湿度（%）;v为日平均风速（m/s）。

人体舒适度指数按中国气象局规定的统一标准被划分为9个等级（表1），其中，1、2、3级归为冷不舒适级别，4、5、6级归为舒适级别，7、8、9级归为热不舒适级别。

1.3 保证率计算方法

保证率是指小于等于（或大于等于）某一界限的累积概率值，即小于等于（或大于等于）某界限的分布函数。计算保证率首先应了解某样本的总体分布如何，是正态分布就按正态分布函数，是其他分布就按照其他分布函数来计算。因此在计算之前，首先应对样本进行适合性检验[15]。

首先将30年韶山冷不舒适初始日期与结束日期、热不舒适初始日期与结束日期转化成当年第x天进行分析，然后利用SPSS软件进行分析，发现数据非正态分布，因此利用频率来计算在某日期之前（后）出现冷不舒适和热不舒适情况的保证率，公式如下：

P（A）=×100% （2）

式中，P（A）为保证率，n为样本数，m为样本xi（1≤i≤n）由大到小或由小到大排列的序号。

1.4 气候倾向率计算方法

采用TSA方法计算人体舒适度指数及不同级别日数变化的气候倾向率[16]。

？茁=median（），1≤j

式中，n为样本数，median指中值。

1.5 检验方法

选用Mann-Kendall检验方法进行人体舒适度指数变化趋势检验和突变检测。

Mann-Kendall 趋势检验是非参数检验，不需要待检序列服从某一概率分布，计算人体舒适度指数的气象数据包括日平均温度、日平均湿度和日平均风速，大多是偏态且不服从同一分布，因而可以使用该检验方法进行趋势检验和突变检测，具体计算公式见文献[16]。

采用非参数Mann-Kendall法进行突变检测的分析方法：首先绘出UF和UB曲线图，并同时绘出0.05水平和0.01水平的信度线。若UF曲线的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势;当UF曲线超过信度线时，即表示上升或下降趋势显著;如果UF曲线和UB曲线的交点位于信度线之间，则此点可能就是突变点的开始[17]。

2 结果与分析

2.1 年均各等级日数分布特征

利用人体舒适度指数公式计算韶山1988—2017年逐日人体舒适度指数，并根据人体舒适度指数的9个等级标准（寒冷、冷、凉、凉爽、舒服、暖和、热、炎热、酷热）统计各个等级的年均总分布时间。结果（图1）表明，韶山人体舒适度各等级分布主要集中在1～8级，无第9级（酷热），其中年平均时间最多的是舒服等级，有115 d，占总体的31.4%;其次是凉等级，有87 d，占总体的23.8%;再次是暖和等级;往后依次是热、冷、凉爽这3个等级;寒冷等级年均仅1 d，炎热等级年均3 d。总体而言，舒适级别（凉爽、舒服和暖和3个等级组成）年均194 d，占总体的52.9%。冷不舒适级别（寒冷、冷和凉3个等级组成）年均127 d，占总体的34.7%，其中30年中寒冷等级共出现24 d，2008年南方低温冰冻雨雪灾害性天气出现时韶山有11 d为寒冷等级，占30年间总寒冷等级时间的45.8%，可见寒冷等级在时间上呈现非均匀分布，并与极端低温天气的出现有较好的响应。热不舒适级别（热和炎热2个等级组成）年均45 d，占总体的12.4%，其中炎热等级日数也呈现非均匀分布，与极端高温天气的出现有较好的响应。

进一步对韶山的8个舒适度等级日数月分布（表2）进行讨论，发現舒适（凉爽、舒服、暖和）等级在全年12个月中均有出现，跨度最大，其中凉爽等级主要集中在3、4、10、11月，但每月平均时间少于10 d;舒服等级主要集中在4、5、9、10月，每月约为20 d，其中5月的舒服等级达到年均24 d，说明4、5、9、10月这4个月是韶山最舒适的月份;暖和等级主要集中在6—8月。同时热不舒适时间最多的月份也在6—8月，其中最热的时间主要在7月和8月，尤其是在7月，热和炎热等级时间达到21 d。韶山冷不舒适时间则主要集中在1、2、3、11、12月，横跨5个月份，其中寒冷等级只出现在1月，除1月寒冷等级和冷等级时间较多以外，另外4个月的冷不舒适主要以凉等级为主。

2.2 ICHB年际变化及各级别ICHB日数变化特征

2.2.1 年际变化 1988—2017年韶山年平均ICHB值呈上升趋势（图2），并通过置信水平为0.01的显著性检验，10年气候倾向率为0.89。说明近30年来韶山年平均人体舒适度趋向于越来越暖，近30年已升高2.7。

2.2.2 各级别舒适度时间变化特征为了细致分析年均ICHB值变化的原因，首先分析1～8等级（韶山无第9等级）各等级时间变化的气候倾向率（表3），结果表明，近30年寒冷、冷、凉、暖和、炎热5个等级时间呈减少趋势，其中冷等级时间减少趋势最显著，每10年减少7.50 d，暖和等级次之，每10年减少3.00 d，凉等级时间减少趋势不明显，寒冷和炎热等级均出现减少趋势;凉爽、舒服和热等级时间呈增加趋势，其中热等级时间增加趋势最显著，每10年增加8.18 d，舒服等级时间每10年增加3.04 d，凉爽等级时间每10年增加1.11 d，但不显著。将各等级分为3个级别，即冷不舒适、舒适、热不舒适3个级别，再分析各级别舒适度时间变化特征（图3），结果表明，近30年韶山冷不舒适时间显著减少，通过0.01水平显著性检验，气候倾向率为-8.75 d/10年，即每10年减少8.75 d，30年来冷不舒适时间减少了27 d;同时热不舒适时间显著增加，通过0.01水平显著性检验，气候倾向率为7.73 d/10年，即每10年增加7.73 d，30年来热不舒适时间增加近24 d;舒适日数略有增加，但未通过显著性检验。

综合以上讨论可知，近30年韶山年均舒适度的增加并非来自舒适度指数数值的增加，主要受到热不舒适时间增加以及冷不舒适时间减少的影响，热不舒适时间的增加主要来自热等级时间的增加，冷不舒适时间的减少则来自寒冷、冷和凉等级时间的共同减少，舒适时间变化不明显是因为舒服等级和暖和等级时间呈现相反的变化趋势，且凉爽等级时间变化不显著。

进一步讨论韶山人体舒适度指数的极值情况，即讨论不舒适级别中的寒冷等级时间和热不舒适级别中的炎热等级时间（图4）发现，寒冷等级时间呈明显减少趋势，2003年以前至少每3年会出现一次寒冷等级情况，时间为1～4 d/年不等，2003—2017年，除了2008年南方低温冰冻雨雪灾害大背景下韶山的寒冷等级时间为11 d，成为近30年来寒冷等级时间的峰值以外，其他年份寒冷等级时间均为0。同时，炎热等级时间呈减少趋势，这进一步说明了影响年平均人体舒适度指数显著增加的主要因素并不是炎热指数数值的增加。炎热等级时间峰值出现在1998年，当年出现了11 d的炎热等级情况，同年寒冷等级时间为0。值得注意的是，近30年中炎热等级时间排名前三位的是1988年（8 d）、1998年（11 d）和2017年（9 d），但这3年的寒冷等级时间均为0，而在2008年寒冷等级时间达到极值时，当年的炎热等级时间为0。

2.2.3 不同月份各级别时间变化特征通过计算近30年韶山不同月份各级别时间变化的气候倾向率（表4）发现，1、2、3、4、10和11月的冷不舒适时间都显著减少，减少得最快的是3月，每10年减少3.03 d，其次是11月和2月，每10年分别减少1.73、1.51 d，只有12月的冷不舒适时间是增加的，但增加比例较小;1、2、3、4、10、11月的舒适时间显著增加，增加得最快的是3月，每10年增加3.03 d，其次是2月和11月，每10年分别增加1.51、1.73 d，6—9月和12月的舒适时间显著减少，减少得最快的是7月，每10年减少2.54 d，其次是8月和6月，每10年分别减少1.99、1.70 d;6—9月的热不舒适时间显著增加，增加得最快的是7月，每10年增加2.54 d，其次是8月和6月，每10年分别增加1.99、1.70 d，10月热不舒适时间略有增加，但不显著。

2.2.4 冷、热不舒适初始和结束日期对冷、热不舒适级别初始日期和结束日期进行分析（表5）发现，近30年韶山出现冷不舒适的初始日期最早出现在9月中旬，最迟在11月中旬，两者相差近2个月的时间，平均在10月下旬初次出现冷不舒适情况，80%保证率下11月8日之前才会初次出现冷不舒适;结束冷不舒适的日期最早出现在3月下旬，最迟在5月下旬，平均在4月中旬结束，80%保证率下会在4月10日之后就结束冷不舒适;热不舒适初始日期最早是出现在5月中旬，最迟在7月中旬，平均在6月上旬就会初次出现热不舒适，80%保证率下6月10日之前就会初次出现热不舒适;结束热不舒适的日期最早出现在8月下旬，最迟在10月上旬，平均在9月中旬结束，80%保证率下会在9月5日之后才结束热不舒适情况。

分析冷、热不舒适初始日期和结束日期的30年变化特征发现，冷不舒适初始日期有所延后，但未通过显著性检验，结束日期显著提前，每10年提前8.18 d;热不舒适初始日期几乎无变化，结束日期显著延后，每10年延后7.69 d。

2.3 突变分析

为更好地确定出现显著变化的因素是否是突变现象，下面对年均人体舒适度指数变化、冷不舒适时间和相应时段结束日期、热不舒适时间和相应时段结束日期进行突变检测。

对近30年年均ICHB年际变化进行突变检测，根据图5中UF曲线可知从1994年起韶山人体舒适度指数呈增加趋势，2001年以后增加趋势显著，年平均人体舒适度指数的突变是从2002年开始的。

对韶山近30年冷不舒适时间和热不舒适时间变化进行突变分析，根据图6（a）中UF曲线可知，从1998年开始冷不舒适时间呈减少趋势，2005年以后減少趋势显著，突变是从2001年开始的;根据图6（b）中UF曲线可知，从1997年开始热不舒适时间呈增加趋势，2005年以后增加趋势显著，突变是从2002年开始的。说明冷不舒适时间和热不舒适时间发生变化几乎是同步的。

根据图7（a）中UF曲线可知，从1991年开始冷不舒适结束日期呈提前趋势，2008年以后显著提前，突变是从2004年开始的;根据图7（b）中UF曲线可知，从1995年开始热不舒适结束日期呈延后趋势，2007年以后显著增加，突变是从2000年开始的。

3 结论

1）研究结果显示，韶山人体舒适度主要以舒适为主，寒冷等级和炎热等级时间较少，且时间分布不均匀，无酷热情况出现，其中年平均时间最多的是舒服等级，其次是凉等级，再次是暖和等级，往后依次是热、冷、凉爽这3个等级，寒冷等级年均仅1 d，炎热等级年均3 d，说明韶山是一个舒适宜人，适合居住和旅游的区域。

2）韶山最舒适的月份是5月，其次是4、9、10月这3个月，最热不舒适的月份是7月，其次是8月，最冷不舒适的月份是1月，其次是12月和2月。近30年来，韶山各月份不同级别时间在发生较大的变化，1—4月和10—11月在由冷不舒适朝着舒适的方向发展，变化最大的是3月，6—9月则进一步朝着热不舒适的方向发展，变化最大的是7月，12月的人体舒适度则略有变冷，只有5月的舒适度在30年间变化不大。

3）1988—2017年韶山人体舒适度指数数值上升趋势显著，主要原因是由于热不舒适级别时间的增加和冷不舒适级别时间的减少，并不是因为指数数值本身的增加。热不舒适级别时间的增加主要来自热等级时间在增加，冷不舒适时间的减少则是因为寒冷、冷、凉3个等级时间在共同减少，尤其是冷等级时间减少最显著，舒适时间总体变化不大，但其中舒服等级时间显著增加，暖和等级时间显著减少。处于冷不舒适和热不舒适两极的寒冷时间和炎热时间都呈减少趋势，人体舒适度指数等级逐渐集中在2～7级，但是会出现个别年份极端天气情况下的极端不舒适情况。

4）80%保证率下，韶山每年11月8日之前才初次出现冷不舒适，而在4月10日之后就结束，6月10日之前就会初次出现热不舒适，要到9月5日之后才结束。从20世纪90年代起，冷不舒适时间逐渐减少，热不舒适时间逐渐增加，主要是因为冷不舒适结束日期显著提前，热不舒适结束日期显著延后，且二者变化几乎同步，进入到21世纪初的10年间，趋势更加显著并呈现突变现象。

总体而言，湖南省韶山是一个气候宜人、舒适度高的地区，适合当地居民居住和旅游业的发展，但近30年间正朝着冷不舒适程度降低和热不舒适程度升高的方向发展，尤其是进入21世纪后，这种趋势更加显著，冷不舒适的时段越来越短，而热不舒适的时段越来越长。因此，韶山未来在规划红色旅游以及相关产业融合发展的过程中可以重点考虑应对这种状况的策略，以便提高红色旅游质量并使旅游资源的利用率达到最大化，促进当地经济与生态建设可持续发展。

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