基于热气候指数评价绍兴市夏季舒适度

2022-03-29杨舒畅张立波褚永逵董海丽谢浩然

内蒙古民族大学学报(自然科学版) 2022年1期

张雪，杨舒畅，张立波，褚永逵，董海丽，谢浩然

（1.浙江省绍兴市越城区气象局，浙江绍兴312000；2.内蒙古农业大学林学院，内蒙古呼和浩特010019；3.浙江省绍兴市气象局，浙江绍兴312000）

气候舒适度是一项生物气象指标［1］，该指标以人体与近地大气之间热交换为原理基础，从气象学角度评价人体在不同气候条件下的舒适感。作为人类生活最重要的环境因子，气候舒适度可直接影响到城市居民的身体健康、生活方式和工作效率等方面，并对交通、农业、旅游等各行各业都有着重要的影响，从而也会间接影响城市的运转成本和发展速度［2］。所以，城市气候舒适度的研究具有重要意义。

自20世纪中期以来，国内外学者一直致力于气候舒适评价模型的研制，并制定了如风寒指数（Wind Chill Index，WCI）［3］、温湿指数（Temperature Humidity Index，THI）［4］、有效温度（Effective Temperature，ET）［5］、NOAA炎热指数（Heat Index，HI）［6］等各种评价模型，为完善气象服务提供了参考依据。但不同城市的气候特征和人群体质差异显著，现有的经验模型受到地域、季节、人种等因素局限，不可避免地带有主观和经验色彩［1］。为了克服模型在时间和空间上的局限性，20世纪60年代后期，研究人员逐渐开发出基于人体热交换机制的舒适度模型，包括如体感温度（Perceived Temperature，PT）［7］等一系列气候舒适度模型［8-10］。其中，热气候指数（Universal Thermal Climate Index，UTCI）模型是在我国南方城市舒适度研究中应用最为广泛的一种新型户外热环境评价方法［11］，该模型结合了体温调节模型和自适应穿衣模型，不仅应用了气象学和生理学的理论知识，还综合了医学、数学以及计算机科学等众多领域的最前沿的专业知识。

随着经济的快速发展，城市化进程加快，城市热岛效应也愈加严重，夏季极端高温日数增加，持续时间增长，夏季高温不舒适日数也呈现明显增加趋势［11-14］。更有研究指出，近年来夏季UTCI在我国所有城市中均呈现出上升趋势，其中，年均UTCI最大的上升幅度就在长江三角洲，高达0.6~0.8℃·（10 a）-1［1］。绍兴市是长江三角洲城市群中的重要城市，也是具有江南水乡特色的文化和生态旅游城市，政府及公众对有效的气候舒适度评价需求明显［15］。所以，对绍兴市气候舒适度的评价研究十分必要。笔者利用综合地面气象观测数据和UTCI模型，评价分析绍兴市近30 a夏季气候舒适度特征，以期为今后健康气象服务提供舒适度指数参考，为城市绿色科技发展提供气象数字化支撑依据［16］。

1 资料与方法

1.1 数据来源

文中所用地面气象观测数据为绍兴市基本站（柯桥站）1990—2020年6—9月的逐日气象要素数据，包括日平均气温（℃）、日最高气温（℃）、日最低气温（℃）、日平均风速（m·s-1）、日照时数（h）、日平均相对湿度（%）和水汽压（hPa）。数据均来源于绍兴市自动站观测数据库。

1.2 UTCI模型

UTCI是在标准参照条件环境下，人体生理响应最为敏感的温度［1］。UTCI模型是2009年在德国Cost Action 730国际生物气象学会上提出的，主要包含了多节点人体热调节模型［17］和自适应穿衣模型［18］两大模块，是当前最具普适性、考虑因素最全面的人体舒适度模型。UTCI模型见图1［1］。

图1UTCI模型Fig.1 The universal thermal climate index model

由图1可知，模型通过计算气温、水汽压或相对湿度、风速及平均辐射温度，依据人体的热生理响应，进而模拟计算出人体所承受的热应力（高温环境对人体产生的热负荷）。笔者参照相关研究结果［19］将夏季UTCI热应力分为4个等级（表1），此外，因计算中平均辐射温度不能从资料中直接获取，遂通过计算实现。

式中，Tmrt为平均辐射温度，t为日平均气温（℃）。

式中，R为日总辐射，S0为天文辐射，S1为日照百分率，D为日较差，A、B、C为根据研究城市的地理位置和辐射特征而定的参数系数。根据参考文献［11］，绍兴市参考值分别为A=0.524、B=0.053、C=0.063。

表1UTCI热应力等级划分［18］Tab.1 UTCI thermal stress classification

1.3 高温不舒适日

因人体会对长期所处的环境产生一种适应力，所以不同气候背景下的居民所能承受的高温阈值是不同的，进而采用同一评价标准得到的结果值仍需进一步讨论［11］。笔者在所研究城市中选取近30 a高于33.0℃的UTCI值进行排列，并选取第50百分位数作为临界值。经统计，绍兴市UTCI临界值为34.3℃，以此为基准，笔者将UTCI值高于34.3℃的日子作为高温不舒适日进行统计分析，用于反映近30 a来绍兴市遭遇高温天气的严重程度。

2 结果与分析

2.1 绍兴夏季热气候指数UTCI基本特征

从1991—2020年绍兴市6—9月的平均热气候指数来看（图2），近30 a绍兴市夏季平均UTCI变化范围在23.7~28.6℃，其中，2001—2010年变化幅度较小，其余年际间变化幅度相对较大，整体上呈现缓慢增大趋势。2013年平均UTCI最大，为28.6℃；1999年平均UTCI最小，为23.7℃。

图2 平均UTCI年际变化Fig.2 The interannual variation of mean UTCI

近30 a绍兴市6—9月的平均UTCI分别为24.2、29.5、28.3、23.3℃。由此可见，7月和8月是UTCI高值期，达到了较强热应力值（UTCI范围在26.0~32.0℃），说明这2个月中高温环境对人体将产生较强的热负荷。将研究时间以10 a为界划分为3个时间段，并对每个时段按月份做统计，结果显示，2001—2010年6、7和9月平均UTCI均高于其他2个时段；8月平均UTCI在2011—2020年时段中最高，每10 a平均UTCI指数以7月和8月的增幅最为明显，9月份变化最小（图3）。同时，每月最高UTCI值均达到了强热应力指标（图4），在较强热负荷的7、8月，最高UTCI值呈现逐时段增加趋势，约以1.0℃·（10 a）-1的增幅增大。这表明，在当前情况下，极端高温天气将频繁发生，人体需要应对的热负荷环境愈加严峻。

图3 6—9月平均UTCI统计图Fig.3 The statistical figure of mean UTCI from June to September

图4 6—9月最高UTCI统计图Fig.4 The statistical figure of maximum UTCI from June to September

2.2 绍兴夏季高温不舒适日基本特征

考虑人体地域适应性因素的影响，把UTCI高于34.3℃的当天作为高温不舒适日进行统计分析，发现近30 a绍兴市夏季高温不舒适日数在0~28 d之间，并呈现出明显的增加趋势，约以3.5 d·（10 a）-1的增幅增加（图5），这与其他学者在南方城市的研究结果基本一致［14］。

图5 高温不舒适日数年际变化Fig.5 The interannual variation of high temperature uncomfortable days

由图5可见，1991—2000年高温不舒适日数约以4 a为周期震荡上升，即4 a出现一次极大值，分别为1994年15 d和1998年16 d；2001—2010年（除2002年）间不舒适日数明显较前10 a增多，但变化不显著，平均每年12 d；而2011—2020年又出现了以4 a为周期震荡上升的变化趋势，极大值分别是2013年28 d和2017年23 d。分析发现，绍兴市2001—2010年夏季平均气温升幅明显大于1991—2000年和2011—2020年，这意味着当年际间增温明显时，城市高温不舒适日数变化趋势反而不明显。21世纪初，在经济快速发展的社会背景下，城市热岛增温效应显著增强，但随着人民对生态治理重要性的逐步认识［20］，在全球气温增温幅度相对平缓的气候背景下［21］，笔者认为绍兴市夏季高温不舒适日数在未来一段时间内将有着明显的年际变化，并会出现约以4 a为周期震荡上升的规律。

此外，绍兴市高温不舒适日数平均开始于7月上旬，基本集中于7、8月份，最早开始于6月中下旬，结束时间在8月下旬（表2）。统计结果表明，高温不舒适日于7月份开始年数占比66.7%，于8月份结束年数占比74.1%，最晚结束日期为于8月28日（2017年）。同时，因城市居民对连续的高温不舒适日更加难以忍受，对近30 a绍兴市夏季高温不舒适过程日数进行统计发现，绍兴市高温不舒适过程一般持续时间为1~3 d，占比83.3%，大于7 d的超长高温不舒适过程发生频次较少，且皆发生于2000年之后（表2），最长发生在2017年7月15日~7月28日，长达14 d。

表2 高温不舒适日日数统计Tab.2 The statistics of high temperature uncomfortable days

总体趋势上看，21世纪后绍兴市夏季高温不舒适情况明显增强。绍兴市近30 a高温不舒适度日数为274 d，平均每年9 d，表现为后20 a（2001—2020年）较前10 a（1991—2000年）明显增多，增幅分别达105.7%、120.8%。同时，高温不舒适日次数和连续高温不舒适日数也呈现如此规律，这都说明21世纪后绍兴市夏季高温不舒适情况明显增强。

2.3 评价结果验证

中国气象局将日最高气温≥35℃的当天定义为高温日，这一定义被广泛运用到高温热浪的研究中［11，14］。为进一步验证结果的合理性，将UTCI模型下统计出的高温不舒适日数和高温日数进行对比分析（图6）。结果表明，二者年际变化趋势基本一致，即高温日数与高温不舒适日数基本呈现同步上升和下降的趋势，二者相关系数达到0.7以上（P<0.01）。由此可见，高温不舒适度与气温密切相关，前人研究也指出，人体气候舒适度与气温相关性最大［22］，本文得出的结论与此基本一致。同时，高温不舒适日数与高温日数也存在一定的差异，这主要可能有2方面的原因，一是考虑湿度和辐射的差异，二是考虑UTCI指标计算要素更加复杂，对城市舒适度评价的诸多研究结果皆有类似结论［14］。综上，相较于大众所认知的高温评价标准，基于UTCI模型的标准更符合人体特点和区域化特征，其结果更具有参考和应用价值。