气候变化对广东省气候适宜度的影响

沈平，张光宇，张永华，高建秋

（1.广东省突发事件预警信息发布中心，广东广州510640；2.广东省气象台，广东广州510640；3.广东省气象探测数据中心，广东广州510640）

气候舒适度是建立在人类机体与近地大气之间热交换原理的基础上，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［1］。随着人类生活水平的提高，对气候舒适性的关注度也日渐升高，舒适度已成为人们选择出行、居住、旅行等考虑的重要因素之一。

由于气候舒适度是城市环境气象服务中重要内容之一，国内外学者早在20世纪30年代就致力于舒适度模型的研究。舒适度评价方法所用原理多为将气象数据代入舒适度模型计算出体感温度值作定量的分析，常用的舒适度计算模型有温湿指数、舒适指数、风效指数等［2］。国内学者围绕气候舒适性做了大量研究，蔡磊等［3］利用多种常用舒适度指数对比分析了马鞍山市生态旅游气候舒适度；曹云等［4］分析了近50年京津冀气候舒适度的区域时空特征；曾志雄等［5］分析了从化地区气候舒适度并针对性地提出旅游开发建议。上述模型多基于经验建立公式，使用局限性较大。科学的进步加快了多学科交叉融合的步伐，促使人体热量传输与能量代谢过程的精准全面描述。在世界气象组织（WMO）气候学委员会的倡导下，2009年23个国家45位科学家共同建立了一个基于多结合点模型的通用热气候指 数 （universal thermal climate index，UTCI）［6］，用以优化舒适度评价方法。国外学者就UTCI评价方法做了大量的研究应用与验证［7-9］。近10年，国内学者也进行了相应的研究应用，孔钦钦等［10］利用UTCI指数分析1979—2014年中国气候舒适度空间格局及时空变化；唐进时等［11］利用UTCI指数评价中国南方14个城市夏季舒适度。本研究采用UTCI指标，基于ArcGIS分析研究气候突变前后广东省各地舒适度空间格局及时空特征变化。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本研究采用广东省数据探测中心提供的86个气象站1977—2016年40年的逐时平均气温、相对湿度、风速及日照时数等气象数据。基础地理信息数据由广东省气候中心提供广东省1：25万数值高程模型数据和广东省1：25万分县行政区划数据。

1.2 研究方法

UTCI指标是当前最具普适性的人体舒适度指标，其标准参考环境包括气候条件和人体活动水平两部分。完整版的UTCI模型对专业知识和技术水平要求较高，运算繁琐耗时较长（见图1）。

图1 通用热气候指数（UTCI）模型示意图

为了便于广泛应用，建立了四维查询表，实际应用中可通过查表获得UTCI值。UTCI模型的核心运算是对气温、风速、水汽压和平均辐射温度进行6阶多项式拟合，并建立统计关系［12］。

其中，ta为2 m气温（℃）；v为10 m风速（m／s）；pa为水汽压（hPa）；tr为平均辐射温度（℃）。水汽压pa由露点温度td（℃）计算而得：

平均辐射温度tr可通过hybrid radiation model模型［13］进行估计：

其中，Rprim为裸体吸收的太阳辐射通量密度（W／m2），可利用SolAlt模型计算；Lg和La分别为地表和大气的长波辐射通量密度（W／m2），可分别由地表温度tg和2 m气温ta计算而得：

本研究UTCT值是通过BioKlima2.6软件实现。依据人体的生理响应，UTCI热应力被分为10个等级，通过计算得出的广东省UTCI主要分布在9～26℃无热应力范围内。

1.3 数据分析

广东地处低纬，面临广阔的海洋，属热带和亚热带季风气候区，冬天平均气温不低于4～5℃，大致在10℃左右，全年平均气温在25℃左右。UTCI分级标准（表略）是在面积较大的前提下进行的，如果按照UTCI既定分级标准，广东绝大部分区域都处于无热应力范围内，为了精细化广东气候舒适度分布，本研究仅对广东省UTCI值按大小进行细分。分别提取06：00、12：00、18：00、24：00（北京时，下同）共4个时次的气温、湿度、风速等气象要素计算1 d 4次UTCI值，之后求平均得出UTCI日均值、年均值。UTCI主要用于评价气候舒适性，该指标由温度、风速、湿度和辐射4个气象因子计算得到，其中温度是评价舒适性重要指标，也是研究气候变化的关键因子。有学者对广东省1961—2016年平均气温变化进行分析，得出近52年华南地区的年平均气温于1997年发生突变［14］，因此，本研究以1997年为界，计算突变前后UTCI的季平均值和年平均值并分析其变化情况。

2 结果与分析

2.1 气候变化前后广东省年UTCI空间分布

气候变化前后广东省年UTCI的空间分布（图2）差异较显著。突变后UTCI＜14的面积较突变前减少了0.34×104km2，减少部分主要集中在莲花山脉一带；UTCI在14～16范围内的面积减少了约4%，主要分布在粤东沿海地区；UTCI在16～18范围内的面积略有增加，＞18的面积增加较明显，主要分布在珠江口以西的江门、中山等地区。

图2 气候变化前（a）和后（b）广东省年UTCI分布

2.2 气候变化前后广东省季UTCI空间分布

对比气候变化前后广东春、夏、秋、冬4季UTCI分布情况（图3和图4），可以看出，春季UTCI＜15℃的区域略有缩小，集中体现在粤东地区；15.0～16.5和16.5～18.0两个区域面积均有增加，分别增加了0.79×104和0.13×104km2；＞18的区域向西南方向缩减，主要体现在肇庆、清远地区，面积减少了0.4×104km2。夏季UTCI变化趋势比较明朗，气候突变后UTCI＜19.0、19.0～21.5、21.5～24.0三个范围内的面积均有不同程度缩减，分别减少了0.27×104、0.3×104和0.23×104km2。UTCI＞24的面积增加了4.62%，粤东地区和珠江口以西沿海地区变化最显著。秋季UTCI划分标准与春季相同，但气候突变前后秋季UTCI变化较春季明显。1997年之后UTCI在 ＜15.0、15.0～16.5、16.5～18.0这3个范围内都有不同程度的缩减，区域面积分别减少了0.91×104、1.7×104和1.0×104km2，UTCI＞18的区域面积增加了3.6×104km2，主要体现在粤东地区、珠江口两侧以及江门、云浮、肇庆等地。1997年前后冬季UTCI值分布差异较大，气候突变前UTCI＜5.5的区域在粤北山区、莲花山脉一带和南澳岛均有分布，气候突变后仅粤北山区零星分布，面积减少至气候突变前的1／2。粤东和粤北偏东地区的UTCI值由1997年前的5.5～7.5升高至7.5～9.5。UTCI＞9.5的区域在突变后有增加趋势，增加了3.45%，集中体现在粤西地区。

图3 气候突变前（1977—1996年）广东省四季UTCI分布

图4 气候突变后（1997—2016年）广东省四季UTCI分布

3 结论

广东省年平均UTCI呈经向分布，西高东低，东北部地区受地形影响，山区UTCI明显偏低。气候突变前后年UTCI差异较明显，突变后UTCI＜16的区域缩小了1.11×104km2，缩减区域主要集中在粤东沿海一带和莲花山脉一带。广东省季平均UTCI也呈经向分布，气候突变后四季UTCI均有增大趋势，相比较而言，秋、冬差异更明显，变化范围主要集中在粤东沿海、莲花山脉、珠江口以西、雷州半岛等区域。总体而言，广东省全年UTCI均处于无热应力范围内，气候适宜度比较好，1997年后UTCI较大的区域面积增加明显，UTCI最大值也在不断增大，广东省UTCI值有逐渐增长的趋势。