两种舒适度指数在海南岛气候舒适度评价中的应用及对比分析

林绍伍 张明洁 张京红 张亚杰 杨静

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

利用舒适度指数作为表征量，通过研究时空变化来评估其对人体的影响，可以较好地反映人体对周围环境的适应情况和某地区居住环境的适宜性。我国在20世纪80年代开始气候舒适度研究，以借鉴国外模型为主，进行应用性定量评价[1-2]；也有一些将影响本地人体舒适感的多项气象因子进行订正及累加，将本地的人体舒适度指数进行计算与等级划分，评估本地气候条件对人体健康的影响[3-7]。例如，孙银川等[8]分析宁夏六盘山区各地夏季不同舒适度等级日数分布特征及气温、相对湿度和风速对体感温度的影响。林颖仪等[9]以海南岛为研究区，在基于“黄金分割率”的体感温度方法计算人体舒适度的基础上，采用旋转经验正交分解法对海南岛季节人体舒适度进行综合区划，获取海南岛气候康养的最佳舒适区域。随着研究的进一步深入，出现了一些较为系统的组合分析模型[10-14]。如聂云等[15]结合旅游实际，综合温湿指数、风寒指数和着衣指数构建了贵州梵净山旅游气候舒适度指数，为梵净山山岳型旅游气象预报与服务工作提供了支撑。刘海洋等[16]基于温湿指数和风寒指数建立沙漠旅游气候舒适指数（DCI）模型，对29个沙漠旅游发展潜力区的月度气候舒适指数进行计算。曹伟宏等[17]以云南丽江为研究区，构建了一个基于温湿指数、风效指数和着衣指数的综合气候舒适度指数，对丽江旅游适宜期进行分析。此外，2009年德国生物气象学会提出了包含主动系统和被动系统的复杂的机理模型：热平衡模型（UTCI），被广泛应用于不同地区的气候[18]或人体舒适度预测、室内适宜性评价。中国学者将其应用于深圳[19]、杭州[20]等城市夏季舒适度的估算分析。综合以上研究可以发现，国内并没有统一的气候舒适度计算方法，但其中温湿指数和风效指数等被广泛应用于气候舒适度评价。

海南岛地处热带北缘，夏无酷热，冬无严寒，四季不分明，年平均气温高，气温年较差小。本研究采用基于温湿指数和风效指数构建的综合气候舒适度指数和人体舒适度指数分别对海南气候舒适度进行评估分析，比较2种气候舒适度指数在海南的适用性，以便对海南的气候舒适度现状分布格局及其变化规律有更加清晰的认识。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选取海南岛18个国家气象站1991—2020年逐日观测数据，包括日平均气温、日平均湿度、日平均风速和日照时数等，数据来源于海南省气象局。

1.2 方法

1.2.1 综合气候舒适度指数基于气候舒适度评价研究中广泛应用的温湿指数和风效指数[21-23]，构建综合气候舒适度指数，对海南气候舒适度时空分布特征进行分析评价。一般而言，在炎热的地区或季节着重考虑热应力的舒适程度，海南属于热带海洋性岛屿季风气候区，长夏无冬，气候炎热，所以探讨其综合气候舒适度时，温湿指数所占的权重较大[24]。根据前期研究，利用参考文献[24]中构建的综合舒适度指数对海南气候舒适度时空分布特征进行分析评价。在综合舒适度指数中，温湿指数、风效指数的权重为0.65、0.35，综合舒适度指数（R）计算公式：R= 0.65*THI+0.35*K，其中，THI，K分别为温湿指数和风效指数。将综合舒适度指数各等级进行赋值（表1）。

表1 综合舒适度指数等级划分

1.2.2 人体舒适度指数人体舒适度指数综合考虑了温度、湿度和风速，并将之量化体现，已在我国气象台站气候舒适度评价中被广泛应用[25-26]。具体计算方法如下：

其中，KSSD为人体舒适性指数，T为温度（℃），RH为湿度（%），v为风速（m/s）。分级标准见表2。

表2 人体舒适度指数等级划分

2 结果与分析

2.1 基于综合舒适度指数的海南气候舒适度时空分布特征分析

2.1.1 时间分布特征1991—2020年海南岛逐月平均综合舒适度指数（R）值在-55～40（图1），呈单峰型变化，峰值出现在6月。根据表1，1、2和 12月综合气候舒适度属于舒适等级，3—11月属于较舒适等级；其中3—6月综合气候舒适度指数值升高，气候舒适度逐渐下降，至6月综合气候舒适度指数达到最高值，但气候舒适度仍处于较舒适等级；6—11月，综合气候舒适度指数逐渐减小，气候舒适度逐渐升高。

图1 1991—2020年海南综合气候舒适度指数月变化

由海南岛综合舒适度各等级月平均日数变化特征（图2）可以看出，1—12月，最舒适等级的日数呈现U型变化，1月最舒适日数最多，平均为10.73 d，随后逐渐减少，5—8月最舒适日数均为0 d；9、10月份不足1 d，11月份开始最舒适日数增多，至12月份达到9.16 d。舒适日数的年变化趋势与最舒适日数一致，也成 U型变化，1月舒适日数最多，为 12.38 d，随后逐渐减少，5—9月舒适日数均不足 1 d，10月份开始逐渐增加，至12月份达到13.34 d。较舒适日数呈M型变化，1月较舒适日数平均为7.89 d，随后逐渐增加，至 3月达到 19.58天后开始逐渐减少，至 6月为9.45 d，7月份开始较舒适日数逐渐增加，至10月份达到峰值（24.83 d），然后逐渐减少，至12月份为8.47 d。次舒适日数呈倒U型变化，1月和 2月不足 1 d，3月份开始逐渐增加，至 6月达到20.26 d，随后开始逐渐减少，11月和12月次舒适日数不足 1 d。1991—2020年 1—3月和8—12月未出现不舒适日数，4—7月出现不舒适日数，但均不足1 d（图3），即1991—2020年4—7月份仅个别年份偶然出现气候舒适度为不舒适等级的日数。

图2 海南岛综合舒适度各等级月平均日数变化

图3 1991—2020年海南岛综合舒适度指数不同等级日数的月变化

由图3和表3可知，1991—2020年1—3月和11、12月，较舒适及以上等级日数占比均达到95%以上，占比最少的为6月份（31.73%）。说明海南全年气候舒适条件好，相对而言，优势在11月至翌年3月的冬半年。4、9和10月为过渡期。

表3 海南岛1—12月综合气候舒适度不同等级日数及较舒适以上等级日数

2.1.2 空间分布特征统计海南岛 18个国家站1991—2020年综合舒适度指数最舒适、较舒适、次舒适、不舒适5个等级日数并计算平均值，得到 18个市县各舒适度等级年平均日数的空间分布图（图4）。由图可知，最舒适等级日数呈现由北向南逐渐减少的趋势，北部的海口、临高和儋州最舒适日数在45～60 d；其次为北部的澄迈、定安、屯昌和东部的文昌、琼海、万宁，中部的白沙、西部的东方，在 30～45 d；保亭和三亚小于15 d，其余市县在15～30 d。舒适等级日数分布，中部的五指山和琼中最多，超过70 d；其次是东北部的临高、澄迈、海口、定安、文昌、屯昌和琼海，在60～70 d；第三为东方、白沙、儋州、万宁、陵水，在50～60 d；其余市县小于50 d。较舒适等级日数分布总体上南部多于北部，中部的五指山和保亭最多，超过210 d；乐东、三亚、陵水、琼中和白沙为180～210 d；东方、临高和海口小于150 d；其余市县在150～180 d。次舒适等级日数分布呈现出中部少沿海多的趋势，中部的五指山最少，其次是琼中；除了东方、三亚、万宁和琼海在110～130 d外，其余市县在90～110 d。不舒适等级日数除了昌江和东方外，其余市县均不足1 d。综合以上分析可知，18个市县较舒适等级以上的日数在236.2～327.6 d，平均为264.0 d，五指山最多，平均每年327.6 d。

图4 基于综合舒适度指数的1990—2020年海南岛不同舒适等级日数的空间分布

2.2 基于人体舒适度指数的海南气候舒适度的时空分布特征分析

2.2.1 时间分布特征1991—2020年海南岛逐月平均人体舒适度指数在57～65（图5），呈单峰型变化，峰值同样出现在 6月。根据表2，1、2和12月人体气候舒适度属于较舒适等级，3—11月属于舒适等级；其中3—6月人体舒适度指数升高，人体舒适度逐渐升高，至6月人体舒适度指数达到最高值，人体舒适度最舒适；6—11月，人体舒适度指数逐渐减小，人体舒适度逐渐下降，但仍处于舒适等级。

图5 1991—2020年海南人体舒适度指数月变化

由海南岛人体舒适度不同等级月平均日数变化特征（图6）可知，1991—2020年海南出现舒适、较舒适（偏冷）、微凉3个等级的舒适度。其中，舒适日数呈类似倒U型变化，1月份舒适日数平均为 11.01 d（表4），随后逐渐增加；5—8月几乎全月均处于舒适等级，9月开始逐渐减少，至12月为12.53 d。较舒适等级日数呈U型变化，1月较舒适日数为19.16 d，随后逐渐减少，5—9月较舒适日数少于1 d，10月开始逐渐增加，至12月较舒适日数为18.04 d。微冷日数在12月至翌年3月均不足1 d，说明微冷日数只在个别年份偶然出现。

图6 1991—2020年海南岛人体舒适度不同等级日数的月变化

由图6和表4可知，1991—2020年全年较舒适以上等级日数占比均达到97%，其中4—10月占比为100%，即4—10月人体舒适度均为较舒适或舒适；1—3月和 11、12月，较舒适及以上等级日数占比均达到95%以上，说明海南全年气候舒适条件好。

表4 海南岛1—12月人体舒适度不同等级日数及较舒适以上等级日数

2.2.2 空间分布特征舒适等级日数的空间分布整体上呈现由南向北逐渐减少的趋势（图7），乐东和保亭最多，超过320 d；其次为三亚、陵水和昌江，在 300～320 d；除东方、临高和海口小于280 d外，其余市县在280～300 d。较舒适（偏冷）等级日数，北部多于南部，东部和中部多于西部，海口、临高、儋州和东方在80～100 d；昌江、乐东、陵水在40～60 d；保亭小于40 d；其余市县在60～80 d。微冷等级日数除了东方为11 d，儋州、临高和海口在3～6 d外，其余市县均不足3 d。

图7 基于人体舒适度指数的1990—2020年海南岛不同舒适等级日数的空间分布

2.3 综合舒适度指数和人体舒适度指数评价结果的对比分析

2.3.1 海南逐月综合舒适度指数和人体舒适度指数的相关分析利用 1991—2020年海南全岛 18个国家站逐日的气象数据，分别计算 18个站逐日的综合舒适度指数和人体舒适度指数，得到全岛平均的综合舒适度指数和人体舒适度指数，对二者进行逐月的相关性分析，比较2个指数的差异性。

通过相关分析可知（表5），1991—2020年1—12月的综合舒适度指数（R）与人体舒适度指数（KSSD）的相关系数均大于 0.8，具有高度相关性，且均通过了0.01水平的显著性检验。说明2个公式都能反映出海南岛气候舒适度状况及逐月变化情况。根据图1和表1可知，综合气候舒适度指数的评价结果为：1、2和 12月气候舒适度属于舒适等级，3—11月属于较舒适等级；根据图5和表2可知，人体舒适度指数的评价结果为：1、2和12月人体舒适度属于较舒适等级，3—11月属于舒适等级，即2个指数评价结果等级并不一致。分析原因，综合气候舒适度指数（R）除了考虑气温、相对湿度、风速的影响外，还考虑日照时间长短对舒适度的影响。海南岛地处热带北缘，1991—2020年月平均日照时数达161.3 h，尤其是在夏半年的4—9月，月平均日照时数高达 198.0 h，而较长的日照会导致气温升高，并通过影响人的心理感受进而影响人体舒适度。海南岛的气候舒适度表现为冬半年月份优于夏半年月份，因此，综合气候舒适度指数对海南岛气候舒适度的评价结果更为合理。另一方面，雷桂莲[27]提出，人体舒适度指数与综合气候舒适度指数具有极显著相关性，因此，在应用其评价海南气候舒适度时需对指数分级标准进行修正。

表5 逐月综合气候舒适度指数与人体舒适度指数的相关性

2.3.2 综合舒适度指数和人体舒适度指数空间评价结果的对比分析在海南岛北部、东部、中部、西部和南部选择5个代表市县海口、琼海、五指山、昌江和三亚，计算1991—2020年逐月的综合气候舒适度指数，并分别与全岛每月平均的综合气候舒适度指数进行相关性检验（表6）。海口、琼海和昌江3个市县与全岛平均的逐月综合气候舒适度指数的相关系数均大于0.7，为高度相关，且均通过了0.01水平的显著性检验。五指山的综合气候舒适度指数与全岛均为高度相关或显著性相关，且均通过了0.01水平的显著性检验。南部的三亚除了9和11月的综合气候舒适度指数与全岛的相关性未通过显著性检验外，其它月份与全岛的相关性均通过了0.05或0.01水平的显著性检验。通过显著性检验可知，综合气候舒适度指数适合用于海南人体气候舒适度评价。由表7可以看出，琼海、五指山和昌江的人体舒适度指数与全岛均为高度相关或显著性相关，且均通过了0.01水平的显著性检验。海口除了6—9月外，其余月份均通过了0.01水平的显著性检验。三亚各月虽通过了 0.01水平的显著性检验但多为低度相关。通过相关性分析对比发现，综合气候舒适度指数比人体舒适度指数更适合用于海南岛气候舒适度的评价。

表6 代表市县与全岛平均的逐月综合气候舒适度指数的相关性分析

表7 代表市县与全岛平均的逐月人体舒适度指数的相关性分析

3 讨论与结论

（1）海南全年气候综合舒适度指数在-55～40，属于舒适、较舒适和次舒适等级，全年气候舒适条件好，11月至翌年3月的冬半年更优。空间分布上，最舒适日数和舒适日数总体上北部多于南部，全岛 18个市县较舒适等级以上的日数在236.2～327.6 d，平均为264.0 d。海南全年人体舒适度指数在57～65，全年较舒适以上等级日数占比均达到97%，其中4—10月占比为100%，即4—10月人体舒适度均为较舒适或舒适。1—3月和11、12月，较舒适及以上等级日数占比均达到95%以上。空间分布上，舒适等级日数的空间分布整体上呈现由南向北逐渐减少的趋势。

（2）1991—2020年1—12月的综合舒适度指数和人体舒适度指数均具有极显著的相关性，说明2个指数都能反映出海南岛气候舒适度状况及逐月变化情况；但2个指数评价结果的等级并不一致。同时结合代表性市县2种指数与全岛平均指数的相关分析发现，综合气候舒适度指数更适合用于海南岛气候舒适度评价，原因可能在于其考虑了日照时数对舒适度的影响，更符合海南岛的气候特点，特别是南部日照充足的地区。

（3）无论是综合气候舒适度指数，还是人体舒适度指数均为经验模型，关于采用经验模型进行气候舒适度计算，国内并没有统一的方法。本研究对2种经验指数在海南的适用情况进行比较分析，对海南岛气候舒适度评价研究具有一定的意义，下一步将采用热平衡模型（UTCI）等机理模型对气候舒适度进行计算和比较，以期更加科学精细地进行海南人体气候舒适度评价及其演变规律探究。