1966-2019年海南人居环境气候舒适度时空分布及变化特征

张明洁，张京红，张亚杰，李文韬，杨 静

(1.海南省气候中心，海口 570203；2.南海气象防灾减灾重点实验室,海口 570203；3.海南省气象探测中心，海口 570203)

引 言

气候条件对人体的体温、新陈代谢功能、神经功能、心血管功能和免疫功能等具有调节作用[1]。当气候条件的变化超过人体代偿能力时,会使机体代偿能力失调，诱发天气敏感性疾病，严重时危害生命[2]。适宜的气候条件能够消除人的疲劳，使体力和精力得到较快恢复，甚至对一些疾病达到缓解和治疗的效果[3]。随着社会生产力的发展和人们康养意识的提高，在选择康体和度假地时，气候条件往往成为首要的考虑因素，现代疗养医学也越发重视气候在疗养中的作用。

一些表征气候对人体体感影响的舒适度指数就是结合多种与人体相关性较高的气象要素而设计的，通过研究其时空变化来评估对人体的影响，可以较好地反映人体对周围环境的适应情况和气候条件对人体的影响。国外关于气候条件对人体舒适感影响的研究可追溯到20世纪20年代，经历了有效温度[4-5]、净有效温度[6]、温湿指数[7]、风寒指数[8]、风效指数[9]、舒适度指数[9]、通用热气候指数[10-12]等的不断发展和完善。我国在20世纪80年代开始进行相关研究，以借鉴国外模型或构建组合分析模型为主，在气候舒适度、旅游气候适宜性等方面进行了定量评价[13-15]。宋丹等[16]以体感温度为基础，建立综合避暑旅游气象适宜度评价模型，分析了贵州省县级以上城市的避暑旅游适宜性。严霜等[17]利用温湿指数对四川省旅游气候舒适度进行评价。孔钦钦[18]、杨俊[19]等采用通用热气候指数(UTCI)分别对全国和全国的避暑旅游资源的气候舒适度时空变化进行了分析评价。余志康[20]、孟丽霞[21]、陶生才[22]、曹云[23]等利用温湿指数、风寒指数、着衣指数分别分析评价了40°N以北城市夏季、兰州市、敦煌和京津冀地区的气候舒适度。从国内外关于气候舒适度研究现状看，研究大多采用上述指数或模型等进行气候舒适度的计算分析，但方法并不统一，考虑的方面和侧重点不尽相同。吴普[24]、刘少军[25]等从旅游角度对海南气候舒适度进行了计算分析，但由于采用的数据是年或月尺度的，因而在分析气候条件对人体体感影响和健康疗养作用时的精准度会大大降低。范业正[3]、孔钦钦[26]等仅分析了海口和三亚的气候舒适度，未能在空间上对海南全岛气候舒适度进行分析。

海南地处热带北缘，气候条件优越。2019年1月11日印发的《海南省健康产业发展规划(2019-2025年)》中提出：到2025年，把海南初步建成领先的智慧健康生态岛和全球重要的健康旅游目的地。智慧健康生态岛和健康旅游目的地的建设离不开适宜的气候条件，因此，本文依据《人居环境气候舒适度评价》(GB/T 27963-2011)[27]评估分析海南气候舒适度的时空分布和变化特征，以期为大力发展基于气候治疗的康养医疗、推进气象为海南省大健康产业发展服务提供理论和技术支撑，以及为人们选择康养和度假的时间地点提供参考。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本研究采用的资料是1966-2019年海南省(除三沙市外)18个气象站的日平均观测资料，包括日平均气温、日平均风速、日平均相对湿度和日日照时数，并对出现迁站(例如三亚国家基本气象站)的站点资料进行了时间一致性和空间一致性等质量控制，以保证所用资料的连续性和准确性。

1.2 研究方法

首先，根据国标《人居环境气候舒适度评价》(GB/T 27963-2011)计算海南18个国家气象观测站1966-2019年逐日的温湿指数I和风效指数K。

逐日舒适度根据国标的规定,划分为寒冷、冷、舒适、热和闷热5个等级。当两种指数不一致时，冬半年(11月-次年4月)使用风效指数；夏半年(5-10月)使用温湿指数。评价时段平均风速>3 m/s的地区使用风效指数。

然后，采用线性回归、滑动平均、Mann-Kendall突变检验等方法,分析海南省人居环境气候舒适度各等级日数的时空分布和变化特征；采用通径分析、M-K突变检验探讨舒适度各等级日数时空分布和变化原因。最后，在对海南省1-12月各台站舒适日数分布的研究基础上，制定海南省人居环境气候舒适月标准:当某个月份中等级为舒适的日数>20天时，该月为非常舒适月；舒适日数为10～20天时，该月为舒适月；当舒适日数≤10天时，该月为不舒适月。依据此标准,分析舒适月的时空分布特征。

2 人居环境气候舒适度的时空分布

2.1 不同舒适度等级日数多年平均值的时空分布特征

2.1.1 不同舒适度等级日数的时间分布

表1给出了海南人居环境气候舒适度不同等级日数的月平均值和年平均值。从表1中可以看出，舒适与热等级是海南省人均环境气候舒适度的主要特征，分别占47.6%和31.9%。其中，舒适等级主要出现在11月-次年3月；热等级多出现在5-9月,4月和10月为过渡月份。寒冷等级日数最少，只占3.5%，出现在12月-次年2月；冷日数和闷热日数分别占全年的7.4%和9.7%。

表1 1966-2019年海南人居环境气候舒适度不同等级日数平均值的分布

2.1.2 不同舒适度等级日数的空间分布

由不同舒适度等级日数的空间分布(图1)可见，寒冷日数分布基本上是由北向南递减的，北部的海口、临高、儋州和东方寒冷日数多年平均值多于20天，南部地区和中部的琼中寒冷日数少于5天，其余大部分地区的为5～15天。冷日数分布也遵循由北向南递减的规律，北部地区的>30天，南部地区的<15天。舒适日数中部地区的最多(>180天)，其中五指山的高达247天，其他地区除海口和东方外，大部分舒适日数>150天。热日数南部的(>120天)多于北部的(90～120天)，其中中部五指山的<90天。闷热日数分布呈现出中部少、东部和西部沿海部分市县的多的特点，北部沿海的临高、澄迈，东南沿海的琼海、万宁，西北的昌江、东方及南部的三亚闷热日数>40天，五指山的仅2.9天。吴普等[24]采用特吉旺舒适度指数分析海南气候舒适度发现，11月-次年3月海南大部分地区的气候舒适度为舒适或暖等级，只有个别市县的为凉等级，4-10月，大部分为闷热等级，但中部地区的闷热日数远少于其他沿海市县的。刘少军等在文献[25]通过对表征海南旅游气候舒适度的旅游气候指数的计算分析发现，在时间上，11月-次年4月海南岛旅游气候舒适度水平较高，达到很好和优良水平，这与本文11月-次年3月海南人居环境气候舒适度以舒适等级为主的结论一致。文献[25]中还发现5-10月气候舒适水平降低，大部分处在舒适与不舒适的边界水平，这与本文5-9月气候舒适度以热等级为主、4月和10月为过渡月份的分析结论吻合。在空间分布上，文献[25]认为中部的五指山在5-10月气候舒适水平高于其他地区的，这也与本文五指山舒适等级日数多于其他地区的结论相一致。

图1 1966-2019年海南不同舒适度等级日数的空间分布

2.2 不同舒适度等级日数的时间变化特征

由不同舒适度等级日数的年际变化(图2)可见，1966-2019年寒冷日数和冷日数呈现出波动中减少的趋势，气候倾向率分别为-2.2天/10a和-2.0天/10a，通过了0.05的显著性检验。通过突变检验(图3)也发现，寒冷日数与冷日数均在20世纪60年代-70年代中期呈现出波动中微弱增加趋势，70年代末期开始呈微弱的减少趋势。不同的是寒冷日数在1979年前后出现突变，1988年以后减少趋势显著(超过0.05临界线)；冷日数在1988年前后出现突变，1998年开始减少趋势显著(超过0.05临界线)。舒适日数多年平均值在148～200天的范围内波动，有微弱的减少趋势(-1.9天/10a)，但未通过显著性检验。热日数和闷热日数呈增加趋势，气候倾向率分别为1.8天/10a、4.3天/10a，通过了0.05的显著性检验。突变检验也发现，热日数在1974年左右发生突变后继续在波动中微弱增加，1987-2010年增加趋势显著。闷热日数呈增加趋势，在1987年前后突变，1990年开始增加趋势显著。

图2 1966-2019年海南不同舒适度等级日数的年际变化

从各等级日数距平值的年代际变化也可看到(图4),寒冷日数、冷日数在20世纪80年代、90年代由正距平转为负距平；舒适日数在80年代和21世纪10年代为负距平，其余年代的为正距平；热日数和闷热日数分别在80年代和90年代由负距平转为正距平。

图4 1966-2019年海南不同舒适度等级日数距平值的年代际变化

综上，海南人居环境舒适度偏冷的日数在减少，偏热的舒适度日数在增加，且偏热舒适度日数的增加趋势比偏冷的减少趋势要明显。舒适等级的日数有在波动中微弱减少的趋势,但未通过显著性检验。

3 舒适度的影响因子及舒适度各等级日数变化的原因分析

舒适度各等级日数的变化趋势不同。采用通径分析方法，分析温度、风速、日照时数和相对湿度对各等级日数的影响，探讨各等级日数变化的原因。其中，舒适日数因不符合正态分布，未进行通径分析。

计算统计结果(表2)表明，除日照时数外，气温、风速、相对湿度都与寒冷日数和冷日数存在显著的相关关系。气温与寒冷日数、冷日数呈负相关，相关系数分别为-0.78、-0.72；风速、相对湿度与寒冷日数(冷日数)呈正相关，相关系数分别为0.55(0.49)、0.45(0.40)。从直接通径系数看，气温与寒冷日数、冷日数的直接通径系数绝对值最大，均为0.65，说明气温对寒冷日数、冷日数的直接影响最大；其次，风速对寒冷日数的直接通径系数为0.24，说明风速对寒冷日数存在明显的影响，仅次于气温的影响，且间接通径系数表明风速也通过影响气温间接影响寒冷日数和冷日数。相对湿度的直接通径系数很小，但间接通径系数表明相对湿度通过影响气温间接影响寒冷日数和冷日数。除相对湿度外，气温、风速、日照时数都与热日数存在显著的相关关系，气温、日照时数、风速与热日数的相关系数分别为0.44、0.23和-0.37。从直接通径系数看，气温、风速和日照时数的直接通径系数较大，说明气温、风速、日照时数均对热日数直接产生影响。从间接通径系数看，平均风速通过影响气温、相对湿度间接影响热日数。除日照时数外，气温、风速、相对湿度与闷热日数的相关系数分别为0.65、0.47和-0.46，气温对闷热日数的直接影响最大，风速和相对湿度通过影响气温间接影响闷热日数(以上相关系数均通过0.01或0.05的显著性检验)。由此可见，对海南舒适度各等级日数,尤其是寒冷日数和闷热日数影响最大的是气温，其次是风速和相对湿度，后两者主要通过影响气温间接影响舒适度。

表2 1966-2019年海南平均气温、风速、相对湿度、日照时数与不同舒适度等级日数的相关系数和通径系数

对海南1966-2019年的平均气温、风速、日照时数、相对湿度进行线性趋势分析和突变检验(图略)发现，平均气温呈明显的上升趋势，并在20世纪80年代前期发生突变，这与寒冷日数、冷日数呈减少趋势，热日数、闷热日数呈增加趋势相符合，也与寒冷日数、冷日数和闷热日数的突变时间、热日数显著增加的时间点相吻合，进一步说明了气温是影响海南各舒适度等级日数变化的最主要因子。平均风速和相对湿度均呈下降趋势，且发生突变后下降趋势显著(分别在1981年和1998年前后发生突变)，这也是寒冷日数和冷日数呈减少趋势、热日数和闷热日数呈增加趋势的次要影响因子。其中，平均风速和闷热日数正相关，但其与闷热日数的直接通径系数较小且未通过显著性检验，间接通径系数为-0.27，通过了0.01的显著性检验，说明平均风速是通过影响气温间接影响闷热日数，平均风速越小，气温越高，闷热日数越多。

4 气候舒适月的时空分布

根据人居气候环境舒适月的划分标准，从各月看(图5、表3)，10月-次年4月，为各市县的非常舒适月和舒适月，10月是北部和中部地区的非常舒适月；11月是全岛的非常舒适月；12月是西南部市县的非常舒适月，东部和北部市县的舒适月；1、2月为南部和中部市县的非常舒适月，也是其余市县的舒适月，3月份非常舒适月范围扩大到东部沿海市县；4月和9月是五指山的非常舒适月，也是其余大部分市县的舒适月；5-8月，全岛舒适日数减少，是中部五指山的舒适月。综上，冬半年各月包括10月，是海南各市县的非常舒适月或舒适月，人体感觉舒适，人居环境气候舒适度条件十分优越;夏半年尽管大部分市县舒适度有所降低，但中部的五指山地区人居环境气候舒适度优于其他市县的，仍然十分优越。

图5 1966-2019年海南1-12月舒适日数的空间分布

从全年来看(表3)，人居环境气候舒适度呈现出中部的优于沿海的，南部的优于北部的分布特征。中部的五指山一年中有8个非常舒适月、4个舒适月，人居环境气候舒适度全岛最佳；琼中一年有6个非常舒适月、2个舒适月，人居环境气候舒适度全岛第二；再次是南部的乐东、三亚、保亭、陵水，非常舒适月有5个、舒适月有2～3个；中部的屯昌、白沙、定安，非常舒适月和舒适月分别为3个和5个。

表3 1966-2019年海南各市县不同舒适等级的月数 个

5 结论与讨论

本文分析了1966-2019年海南省(除三沙市外)人居环境气候舒适度各等级日数、气候舒适月的时空分布和变化特征及原因，得到以下结论。

(1)海南省人居环境气候舒适度以舒适和热为主，舒适日数和热日数分别占全年日数的47.6%和31.9%，10月-次年3月各月的舒适日数接近或超过20天。寒冷日数、冷日数和闷热日数分别占全年的3.5%、7.4%和9.7%。

(2)寒冷日数和冷日数的空间分布均由北向南递减，寒冷日数北部的>20天，南部的<5天，冷日数北部的>30天，南部的<15天。舒适日数中部地区最多(>180天)，其他地区的为150～180天。热日数南部的多于北部的，南部地区的>120天，其他地区的为90～120天(五指山的<90天)。闷热日数分布呈现出中部的少、东部和西部沿海部分市县的多的特点，中部五指山的为2.9天，北部沿海的临高、澄迈，东南沿海的琼海、万宁，西北的昌江、东方及南部的三亚>40天。

(3)近54年来，寒冷日数和冷日数分别以-2.2天/10a和-2.0天/10a的气候倾向率在波动中减少，并且分别在20世纪70年代末和80年代末发生突变后，减少趋势更加显著；舒适日数在148～200天范围内波动，有微弱的减少趋势，但未通过显著性检验；热日数和闷热日数分别以1.8天/10a和4.3天/10a的气候倾向率增加，分别在20世纪70年代中期和80年代末期发生突变，均从90年代开始增加趋势更加显著。

(4)在全球气候变暖背景下，气温升高是寒冷日数、冷日数减少和热日数、闷热日数增加的主要原因，平均风速和相对湿度下降是次要原因，且平均气温和平均风速的突变时间与寒冷日数、冷日数和闷热日数的突变时间相吻合，与热日数显著增加的时间点也相吻合。相对湿度主要通过影响气温间接影响各等级舒适度日数的变化。

(5)海南人居环境气候舒适度全年均较为优越，相对而言，冬半年的优于夏半年的，冬半年各月包括10月是各市县的非常舒适月或舒适月。在空间上呈现出中部的优于沿海的，南部的优于北部的分布特征。中部的五指山一年中有8个非常舒适月、4个舒适月，人居环境气候舒适度全岛最佳；琼中人居环境气候舒适度全岛第二；再次是南部的乐东、三亚、保亭、陵水等地的气候舒适度。因此，海南可在目前全国著名的避寒旅游基础上，充分发挥气候优势，大力发展中部地区的康养旅游、森林生态旅游等特色旅游，使海南真正成为全国少有的冬可避寒、夏可避暑的旅游康养胜地。