太原市人居环境气候舒适度时间变化特征

杨 朔，钞锦龙，赵德一，毕玉婷，李浩杰，李乐乐

(1.太原师范学院地理科学学院 山西 晋中 030619，2.山西省气象台 山西 太原 030600)

人居环境是人类居住的地方，其核心为人，人居环境侧重于对人居概念的强调，人居环境主要是“人居”与“环境”两方面的融合[1].因此城市人居环境是指人在城市生活、工作所处的自然、经济、社会和文化环境的总称，是“人居”与“城市环境”的融合.舒适度是人体对外界气候变化舒适程度的反应，是各气象要素综合作用的结果，城市作为人员最为集中的居住地其舒适度受到广泛关注[2].随着社会经济的发展、生活质量的提高，人们对人居环境质量的优劣越来越重视，其质量直接影响人类的健康与发展[3,4].气候作为人居自然环境系统的核心要素，是评价人居环境气候舒适度的重要内容[5,6]，如果没有好的气候环境，人们将很难在这片区域进行生产活动，反过来说，即便一个区域经济再发达，如果没有一个舒适的气候，那么这样的发达现状也很难持久.

气候舒适度是指健康人群在无需借助任何防寒、避暑装备和设施情况下对气温、相对湿度、风速和日照等气候因子感觉的适宜程度[7].评价气候舒适度的研究由来已久[8]，尤其是近些年在人居环境气候舒适度特征分析方面的研究越来越多，周建琴等[9]分析了云南气候舒适度分布和变化特征，并对云南未来气候以及舒适度变化趋势进行预估；刘金丽[2]等从温湿指数、风效指数、着衣指数入手，对珠海市人居环境气候舒适度进行了分析；尹文娟[12]等选取了全国714个气象站点的气象资料，对中国大陆的人居环境气候舒适度变化特征进行研究；到目前为止，有关太原市人居环境气候舒适度变化的研究较少.近些年，为响应太原市向“宜居宜业宜游的国家中心城市”转型发展以及创建国家森林城市的需要，研究人居环境的气候舒适度变化特征显得更加迫切.本研究根据国家人居环境气候舒适度评价指标[7]，选用风效指数与温湿指数作为气候舒适度评价指标，分析太原市人居环境舒适度特征，为太原市转型发展及城市人居环境提升提供科学指导依据.

1 研究区概况

研究区太原市位于山西省中北部的太原盆地，地理坐标为111°30′E～113°09′E， 37°27′N～38°25′N，坐落于海拔800 m的汾河河谷平原上，东、西、北面三面环山，中南部为汾河河谷平原，地势北部高南部低，市区总面积1 460.2 km2，建成区面积170 km2.太原市属北温带大陆性气候，年均温9.5 ℃，光照充足丰富，年日照总时数为2 360～2 796 h；降水集中在每年7月到8月，其降水量占全年总量的60%以上，年平均降水量468.4 mm.从全年看，冬春长，夏秋短，降水和气温年变化大[12].

2 数据来源与研究方法

本文主要选取了太原市国家基本气象观测站1951—2015年64a的逐年每日温度、湿度、风速、日照等气象观测资料，采用数理统计法，对照温湿指数与风效指数计算方法、舒适度划分等级和舒适度评价方法，分析太原市气候舒适度特征.如表1，国标将气候舒适度划分为5个等级：寒冷、冷、舒适、 热和闷热，且主要通过温湿指数与风效指数来反映.

温湿指数主要反映人体对温度与湿度的综合感受，计算公式如下：

I=T-0.55(1-RH)(T-14.4)

(1)

式中：I为温湿指数，T为某一评价时段平均温度(℃)，RH为某一评价时段平均空气相对湿度(%)，I保留一位小数.

风效指数描述了人对风速、湿度和日照综合感受，其计算公式如下：

(2)

式中：K为风效指数，T为评价时段内平均温度(℃)，V为评价时段内平均风速(m/s)，S为评价时段内平均日照时数(h/d)，K取整数.

对数据处理时，我们将全年划分为冬半年(9月24日—次年3月20日)与夏半年(3月21日—9月23日).季节划分为春季(3、4、5月)，夏季(6、7、8月)，秋季(9、10、11月)，冬季(12、次年1、次年2月).

表1 人居环境舒适度等级划分表[6]

3 结果与分析

3.1 1951—2015年太原市逐月舒适度变化特征

3.1.1 1951—2015年太原市月平均温湿指数变化特征

由图1可知，1951—2015 年太原市月平均温湿指数的分布.呈现由低值到高值再到低值的单峰趋势，从1月开始温湿指数由负值逐渐增大，到了7月增至最大后又逐渐减小.对应表1，1951—2015年中，太原市1月—4月温湿指数小于14.0，人体感觉寒冷，不舒服；5月—8月温湿指数处于17.0～25.4，人体感觉舒适；9月温湿指数为16.2，人体感觉偏冷，较不舒服；10月—12月温湿指数又变回小于14.0，人体感觉很冷，不舒服；其中，4、9月是舒适与偏冷的过渡月份，夏季是舒适度最好的季节.观察1951—2015年太原市每年每月平均温湿指数发现，各月温湿指数总体呈现上升趋势，尤其以12月、1月、2月最为显著，而出现峰值的7、8月变化不大，这表明气候向着更好的舒适度方向演变.

3.1.2 1951—2015年太原市月平均风效指数变化特征

由图2可知，1951—2015年太原市月平均风效指数同样呈现单峰变化趋势，且各月风效指数都为负值.对应上文表1，1月—4月、10月—12月风效指数均小于-400，人体感觉寒冷，很不舒服；5月—9月风效指数处于-299～-100之间，人体感觉舒适，这与冬半年寒冷，夏半年舒适的气候特征大体吻合，其中4月、9月同样为过渡月.观察1951—2015年太原市各月风效指数发现，64a中，各月风效指数基本呈现上升趋势，但上升趋势较小，舒适度等级变化并不明显.

图1 1951—2015年太原市月平均温湿指数

图2 1951—2015年太原市逐月平均风效指数

3.2 1951—2015太原市舒适度季节变化特征

3.2.1 1951—2015太原市季节平均温湿指数

由图3可知，春季的平均温湿指数为12.2，人体感觉较冷，不舒服；夏季为21.1，人体感觉舒适；秋季和冬季分别为10.7和0.8，人体感觉又归于寒冷，不舒服.总体来看，在温湿指数模型下，舒适度最好的季节是夏季，结合上文所得到的逐月平均温湿指数可知，春秋属于过渡季节，冬夏属于舒适度较为极端的季节.

3.2.2 1951—2015太原市季节平均风效指数

由图4可知，全年中，夏季风效指数为-160，属于人体感觉舒适等级；春季、秋季、冬季的季节平均风效指数分别为-441、-443、-761，三个季节风效指数均低于-400，属于人体感觉寒冷且最不舒适的等级.结合上文所提到的逐月平均风效指数来看，在风效指数模型下的季节舒适度划分中，夏季6月—8月的风效指数全部属于舒适等级，因此夏季仍然是舒适度最好的季节；冬季12月—次年2月的风效指数全部小于-400，所以冬季仍然是舒适度最差的季节；而春季、秋季在四季中属于过渡季节，这与季节平均温湿指数的变化趋势与结果基本一致.

图3 1951—2015年太原市不同季节平均温湿指数

图4 1951—2015年太原市不同季节平均风效指数

3.3 1951—2015 年气候舒适度的变化趋势

3.3.1 1951—2015太原市夏半年温湿指数变化趋势

如图5，64a中，太原市夏半年的温湿指数变化趋势呈现为波动上升，其中1951年为最低值16.5，舒适度等级为属于较不舒适的2级，2005年为最高值19.1，属于舒适度最好的1级.以温湿指数为17.0作为分界线，温湿指数在17.0以上的年份共有60年，只有4年属于较不舒适等级，1977年以来再无出现低于舒适等级的状况.整体来看，太原市的夏半年是人体感觉最舒适，舒适度等级最优的，并且由趋势线我们可以看出，夏半年的温湿指数一直保持增大的走势，很有可能会在未来超过舒适等级的上限值.

3.3.2 1951—2015太原市冬半年风效指数变化趋势

如图6，64a中，太原市冬半年的风效指数都小于-400，全部属于不舒适等级，最大值也只达到了-579，但观察趋势线可以看出，即便完全属于不舒适等级，但是风效指数仍然呈现持续缓慢增大的趋势.从1953年的最低值-744至1989年的最高值-579，风效指数增大165个单位经历了36a，在这之后的最低值出现在1996年为-690，大于1953年的最低值，且自1976年以来，太原市冬半年的年均风效指数从未出现低于-700的情况.按照这样的趋势预测，很可能在未来40年内，太原市冬半年的风效指数所对应的舒适度等级可能会出现提升一个等级的情况.

图5 1951—2015年太原市夏半年温湿指数

图6 1951—2015年太原市冬半年风效指数

3.4 太原市舒适度不同等级指数变化特征

由表2可知，64a来，太原市无闷热日数，包括1980年以前的前三十年热日数只有15d，后三十年有21d，近四年有2d，热日数呈现有逐步增多的趋势，但总量较小；舒适日数自1951年以来，总体呈现波动上升趋势，从1957年开始舒适日数基本稳定在100d以上，到了1994年舒适度日数保持在120d以上，相当于全年中有4个月是人体感觉舒适时期，且经常会创下舒适日数的历史新高；冷日数波动较大，日数基本保持在34d上下浮动，但趋势线呈细微下降趋势，而当冷日数增多时，同年的寒冷日数会相对减小，两者呈反比例关系；寒冷日数基本保持波动减小的趋势，自1992年，寒冷日数始终保持在190d—220d范围内波动，且与舒适日数呈反比例关系.

表2 1951-2015年太原市舒适度指数不同等级日数

续表2

4 讨论与结论

4.1 讨论

从上文的分析来看，寒冷、冷、舒适、热日数变化趋势不尽相同，在全球气候变暖的大背景下，为探究此变化原因，我们做了温度、湿度、日照、风速与温湿指数、风效指数之间的相关性分析，结果如表3：

表3 1951-2015年太原市温湿指数、风效指数与

由表3可知，温湿指数在四种因子的影响下，气温与其相关系数高达0.988，具有显著的正相关关系，说明气温对于温湿指数的影响最大；其次，湿度与日照对于温湿指数的影响较小，都小于0.250；风速与温湿指数呈负相关关系，且相关性较弱，不及-0.1，说明风速对温湿指数影响最小.风效指数与温湿指数类似，受气温的影响较大，但在风效指数中，风速也占据一定的主导地位，与风效指数呈负相关，达到了-0.619，其影响仅次于气温，湿度与日照对于风效指数也有一定的影响，但影响较小.因此，气温对于舒适度的影响是最为突出的，风速次之，而我们发现，尽管湿度在两种指数下对舒适度影响较小，但是观察64a的相关系数变化规律可知，当风速对两种指数影响较大时，湿度会对两种指数影响降低，说明湿度会在无风或是微风时较大幅度地影响舒适度.范晓辉[10]等研究表明，近50a山西省年平均日照时数明显减少，但由于日照与两种指数的相关系数近似一致，因此日照对冬半年与夏半年舒适度的影响基本相同.

王晨迪[13]分析了太原市1951—2011年的气候变化特征，指出太原市在这60年中，年平均气温表现为明显增加趋势，牛旭[14]等也得出了相同的结论.马义娟[15]等分析了太原市变暖趋势，表明各季节变暖趋势一致，冬季增幅最大，其次为春、秋、夏季，这与全球气候变暖的大环境相吻合，将此温度变化与温湿指数对比可以发现，1951年为年均温最低值，温湿指数最低值也出现在1951年，且该年为寒冷日数最多的一年；2006年为年均温最高值，温湿指数最高值出现在2006年且出现1d热日数； 再结合气温与两种指数的相关性基本可以确定，温度的升高是导致太原市舒适日数增多，寒冷日数减少的最主要影响因素.刘苏峡[16]等研究了华北平原风速变化特征，表明华北平原风速呈减小趋势，牛旭[12]等也证实了太原市的风速呈现下降趋势，以20世纪80年代为分界线，80年代以前平均风速高于多年风速平均值，而80年代后便低于多年风速平均值，对照太原市冬半年风效指数的变化，从1977年开始，太原市风效指数开始保持明显上升趋势，结合风速与风效指数的负相关关系可知，风效指数的升高很大一部分原因是受风速减小的影响.

4.2 结论

本文根据太原市1951—2015年国家气象基准站站点的气象数据资料，依据国标评价标准分析了太原市64a来人居环境气候舒适度状况，得到以下结论：

1)太原市夏半年属于“舒适”的气候舒适度等级，冬半年属于“寒冷”的气候舒适度等级，自1977年以来，太原市的气候舒适度呈现明显变好的趋势.

2)5月—8月，太原市气候属于舒适度最好等级，其中5月与同年9月为舒适度过渡月，不同的是，9月气候偏冷，舒适度较差，1月—4月、10月—12月气候寒冷，是舒适度最差的月份，人体感觉非常不舒服.

3)太原市夏季属于舒适度最好等级，冬季属于最不舒适等级，而春季与秋季总体舒适度属于最差等级，但由于5月与9月为舒适度过渡月，因此，春秋两季人体所感受到的舒适度是由寒冷、冷和舒适组成.

4)气温是影响太原市气候舒适度的主要因素，气温的升高直接影响到太原市舒适日数与寒冷日数的增多与减少，同时，年均温最低值、最高值与舒适日数、寒冷日数的最低值、最高值基本吻合，其次是风速的影响，太原市风速减小的变化趋势一定程度上导致了冬半年的风效指数增大，进而使得冬半年的寒冷日数减少，而湿度在风速小的时候对寒冷、冷、舒适日数会产生较明显的影响.