2000-2018年神东矿区气候舒适度评价

岳本江，郭玉涛，李 强，李 斌，张辛忻，李永红，王 冬

(1.黄河上中游管理局 西安黄河规划设计有限公司，西安 710021；2.神华神东煤炭集团有限责任公司环保管理处，陕西 神木 719315；3. 神华准能集团公司环境保护部，内蒙古 鄂尔多斯市 017000；4. 西北农林科技大学水土保持研究所水土保持生态工程技术研究中心，陕西 杨凌712100；5. 河南大学生命科学学院，河南 开封 475004)

气候由气温、湿度、风速、日照、降水等多个要素组成[1]，且各要素间相互关联[2]。作为多种气候要素的综合反映，气候舒适度是从气象角度分析评价不同天气或气象条件下，人体舒适程度而制定的气象指标，也是人类活动和居住环境重要的影响因素，很大程度上决定着人居环境的舒适与否[14]，已成为对气候资源进行科学评价的重要指标。随着科技的飞速发展和生活水平的不断提高，人们对人居生活环境质量的要求也越来越高，人居环境及气候舒适状况逐渐成为生产生活关注的重点，尤其在全球气候变化，影响气候舒适度的气候因子如气温、降水、植物等已发生一定程度改变的情况下，气候舒适度也逐步成为民众选择居住环境、衡量宜居环境的重要参考指标，因此，开展区域气候舒适度研究与评价更具有重要的科研与社会意义。国内外诸多学者对气候舒适度开展了大量的研究工作[4-7]，从不同角度给出了多种评价指标。早在1966年，舒适性指数(Comfort Index)和风效指数(Wind Effect Index)概念[3]就被提出，用以定量研究气候特征。随后，综合舒适度、着衣指数、相对舒适度指数等一系列新的指标被逐渐引入，在气候舒适度评价方面形成了多方向的研究，相关结论被广泛应用于工作环境的医学检验[8]、气候资源评估[9]、旅游资源区划[10]等领域。总体上这些研究多集中在某一城市或旅游景区，针对煤矿矿区气候舒适度评价的研究目前鲜有报道。

神东煤炭集团公司位于晋陕蒙三省区交界，是国家能源集团的骨干煤炭企业之一。矿区地处陕蒙接壤区中心地带，鄂尔多斯高原与黄土高原的地貌交接地带，区域内过渡性特征明显的地貌、土壤，种类单调的原始植被，以及水力、风力、重力等多种侵蚀营力并存的条件，形成了三相侵蚀交错的时空格局，以及生态环境具有极高的波动性、脆弱性、敏感性和典型性，是全国水土流失重点监督区与治理区。矿区开发与治理初期，水资源匮乏、植被单一、水土流失严重和风沙问题突出，人居环境恶劣，给企业发展带来了严重影响。神东公司面对大规模煤炭开采与脆弱生态环境的突出矛盾，始终坚持开发与治理并重，结合自身生产建设与区域自然环境特点，不断创新水土保持、生态建设、环境保护、清洁生产技术，创新了“三期三圈”[11]水土保持生态防治理念、模式与配套技术，做到了主动防治、系统防治，大幅度降低了开采扰动对生态环境的影响，同时利用地表生态系统的自我恢复能力，辅以人工工程、植被措施，显著增强了区域生态功能，使遭到破坏的生态系统逐步恢复或向良性循环方向发展，矿区生态环境质量逐渐变好，打造了宜人的生态环境[12-13]，实现了人才、环境、效益的良性循环，为区域生态保护与黄河流域高质量发展做出了积极贡献。为科学准确评价神东矿区人居环境、气候资源与特征，我们在收集整理神东矿区2000-2018年气象数据的基础上，通过不同的气候舒适度指标，定量分析与评价了神东矿区近20年来的气候舒适程度，划分了矿区气候舒适期。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

神东矿区是神府东胜矿区的简称，现为我国最大的井工煤矿开采地，其中神东煤炭集团布尔台，是世界第一大井工煤矿。神东矿区主要矿区位于陕西省榆林市北部和内蒙古自治区鄂尔多斯市南部，矿区范围E109°51′～110°46′，N38°52′～39°41′，中心北距鄂尔多斯市中心约66.5 km，西距伊金霍洛旗府阿镇约34 km，南距神木县城约47 km。矿区气候夏季历时短，降雨集中，冬季气候干燥，寒冷漫长，属典型的温带半干旱大陆性气候。根据2000-2018年气象资料，矿区多年平均降水量404 mm，降水年际、年内变化大，年最大年降水量达到647 mm(2016年)，最小年249 mm(2000年)，降水集中在6-9月，占全年的75%以上；年平均气温8.43 ℃，年平均风速2.15 m·s-1，大于5 m·s-1的起沙风达60 d以上。

1.2 数据来源

选取2000-2018近20 a神东矿区周围包头、呼和浩特、东胜、河曲、榆林、神木、五寨、兴县8个气象观测站点(图1)的降水量(P)、气温(T)、相对湿度(RH)、风速(V)、日照时数(h)日值数据(国家气象科学数据共享服务平台https://data.cma.cn/)，按照统一的数据整编格式，分别统计各气象站P、T、RH、V、h不同时间尺度的变化特征，在GIS平台下对站点年均数据进行空间插值，得到神东矿区各气象要素面上统计年均值。

图1 神东矿区中心区地理位置图

1.3 研究方法

1.3.1 舒适度指数 综合参考以往相关研究，本评价选取温湿指数[15]、风效指数[16]、着衣指数[17]和综合舒适度[18]为评价指标，并结合综合舒适度的分级(表1)，参照评价标准[16]对神东矿区气候舒适度进行综合评价，据此判定矿区各月份气候舒适度，以此划分神东矿区气候舒适期。

1.3.2 年综合舒适指数 综合气候舒适性评价模型作为一个综合评价指数，在地区气候舒适状况研究中得到了广泛的应用。但在多指标评价体系中，由于各评价指标性质或表征的含义不同，通常具有不同的量纲、范围乃至数量级，如在本研究中，风效指数与着衣指数取值范围分别为-520.84～-304.82、1.61～1.73。当各指标间的数量级水平相差较大时，若直接采用原始指标值进行分析，会突出绝对数值较高的指标在综合分析中的作用，相对削弱数值水平较低指标的作用。为了保证结果的可靠性，本次评价先对原始指标数据进行标准化处理：

表1 各类舒适度指数分级标准及赋值

(1)

利用标准化后的气候舒适度指数，本评价提出计算神东矿区年综合舒适指数XCCI*方法为：

XCCI*=0.6XTHI*+0.3XWEI*+0.1XICL*

(2)

式中，XTHI*、XWEI*、XICL*分别为标准化后的年温湿指数、风效指数、穿衣指数，根据专家打分及主层次分析，确定因子权重系数分别为0.6、0.3、0.1，并以该标准化的气候舒适度指数分析神东矿区气候舒适度指数的年际变化。

2 结果与讨论

2.1 气候因子年内分布

神东矿区气象要素年内变化明显(图2)。其中，降水(图2-a)年内分配不均，主要集中在7-8月，接近全年降水量的一半，汛期(6-9月)降水占全年降水量的比例超70%。温度(图2-b)变化与降水类似，全年温度变化由-9.3 ℃～23.4 ℃，月平均温度相差较大且水热同期，最高降水量与最高温度均出现在7月。相对湿度(图2-d)受降水及温度影响较大，年内变化波动明显，8月最高(65%)，4月最低(35%)。矿区风速(图2-d)全年存在两个较大的时期，分别为4月与11月，月均风速分别为2.80 m·s-1、2.10 m·s-1。神东矿区地处年降水量400 mm左右的水蚀风蚀交错带，矿区风速年内变化规律与水蚀风蚀交错带风速特征相符[19]。

图2 神东矿区月平均降雨(a)、气温(b)、相对湿度(c)及风速(d)

2.2 年际气候舒适度指数变化

利用插值计算出的神东矿区2000-2018年气候舒适度指数，统计近20 a以来温湿指数、风效指数、着衣指数与综合舒适指数的年际变化，并利用趋势线分析神东矿区气候舒适度指数的年际变化规律如图3。从中可看出，矿区多年平均温湿指数为50.02，变化范围48.6(2003年)～50.81(2013年)，年际变化较小且呈微弱的上升趋势(图3-a)，按照表1温湿指数分级标准，神东矿区多年平均温湿状况处于偏冷，较不舒适的程度(45～55)。矿区多年平均风效指数为-481.93，变化范围-521.71(2016年)～-444.72(2001年)，具有一定的年际变化且呈微弱逐年下降趋势(图3-b)，按照表1中风效指数的分级标准，神东矿区多年平均风效指数令人感觉舒适(-600～-300)。矿区多年平均着衣指数为1.75，变化范围1.68(2001年)～1.82(2012年)，呈逐年升高趋势(图3-c)，按照表1中着衣指数的分级标准，神东矿区多年平均体感较凉，适宜着冬季常用便服(1.5～1.8)。综合舒适指数(图3-d)结果显示，神东矿区近20 a来综合舒适指数有逐步提升的趋势。

图3 神东矿区温湿指数(a)、风效指数(b)、着衣指数(c)和综合舒适指数(d)年际变化

气候舒适度指数受气温、风速、相对湿度、日照时数等环境气象因子综合影响，各种气象要素协同对气候舒适度产生影响。神东矿区综合舒适指数的提升，除取决于矿区范围内气候因子本身外，更与其大规模的采前、采中、采后生态环境治理，改善原本恶劣的自然条件工作密不可分，近20 a以来生态环境趋于稳定，气候适宜性越发彰显。

2.3 逐月气候舒适度指数变化

表2显示，矿区多年平均的温湿指数月度变化呈“山”字型变化，具体表现为温湿指数在5、7、9月较高。矿区全年无炎热及闷热的人体感觉，人体感觉最舒适的月份为6月，7月因较高的温湿指数造成人体体感偏热，仅为较舒适的状态，8、9月可能由于天气转凉，人体转而感觉到舒适。由此可见，人体感觉从温湿指数上体现出双峰变化的特征，表明神东矿区一年中有两个舒适的时期，分别为5、6月和8、9月。

表2 神东矿区各月气候舒适度指数及分级

神东矿区风效指数全年变化为单峰倒“U”型，7月风效指数最高，1、12月的风效指数较低，风效指数与当月的平均气温间存在较为显著的负相关关系。全年人体并无酷冷及炎热的感觉，气候相对较为温和。风效指数指示的年体感最舒适月份为4、9、10月的春秋两季，年人体感觉变化为双峰型，7月可能由于气温较高，人体感觉较为暖热而并非最舒适，该结果与温湿指数结果相同。

神东矿区着衣指数变化全年呈“U”型，最低着衣指数出现在7月，仅为0.66，适宜衣着建议为轻便的夏装，12月至次年的2月为全年最寒冷的月份，相应适宜衣着为羽绒服或皮毛衣。从着衣指数分级来看，神东矿区5、6、8、9月均为最适的着便装季节，4月与5月之间，9月与10月之间可能存在因换季导致的温度骤变，造成着衣指数跳级，建议矿区居民及职工在这两个时期酌情增减衣物。

从各气候舒适度指数月度变化可以看出，指数绝对值的高度并不代表人体感觉最为舒适，如7月的温湿指数和风效指数，该月的两类指数均为全年极值，但带给人体的感觉却仅仅是“C”级。不同指数计算的基础为各类气象因子，温湿指数受温度及相对湿度影响，风效指数则取决于风速、气温及日照时数，着衣指数的影响因素为温度，风速、太阳高度及辐射情况。定义人体感觉的舒适与否，不应单独考虑某一个气象要素的高低，人体舒适度是各个气象要素共同作用的结果，一旦某一要素超出了人体感觉的最适范围，则该气象因素便会成为影响气候舒适度的限制性因素，如7月相对较高的气温，或水热同期造成的湿度过大。

2.4 气候舒适度评价

由神东矿区2000年以来多年月均综合气候舒适指数计算结果(表3)来看，矿区月综合舒适指数呈双峰变化，6月与9月最高，达7.8，1月、12月最低，仅为2.2。7月综合舒适指数较前后月份略低，原因为7月的温湿指数与风效指数分级较低，分级赋值仅为5(表2)。

表3 神东矿区月综合舒适指数

对于纬度、海拔较高的神东矿区来说，神东矿区春末(5月)、夏初(6月)及初秋(9月)气候适宜，温湿指数、风效指数与着衣指数均可达到全年分级较高的水平，因此全年气候最为舒适。夏季气温较高，水热同期(图2-a，b，c)，造成7-8月会有一点闷湿及炎热的感觉，气候舒适度略低，为较为舒适。春季(3-5月)与秋季(9-11月)气候波动较大，温差大，风速强(图2-b，d)，造成每月之间舒适度各不相同，气候舒适度自舒适至较不舒适波动，体现出气候的不稳定性。冬季(12月至次年2月)气温较低(图2-b)，综合气候舒适度较低，使人感觉不舒适。总体来说，神东矿区全年4-10月为较舒适和舒适的时期，全年舒适期较长，气候环境较适合职工安居，便于开展各种户外出行及生产、生活活动。

良好生态环境是最普惠的民生福祉。森林植被的生态恢复可有效改善空气湿度，提高植被覆盖度，直接影响降水、大风及沙尘暴天气状况的发生频率，对调节局地小气候有积极作用。神东公司长期坚持的“绿水青山就是金山银山”生态理念，通过大规模生态治理活动有效改善了当地脆弱的生态环境状况，实现了能源生产上的“金山银山”，更实现了生态治理上的“绿水青山”，此举从一定程度上有效改善了当地气候舒适度状况，提高了当地居民的生活幸福感。

3 结论

基于2000-2018年温度、相对温度、风速、日照时长资料，分析的神东矿区气候舒适度温湿指数、风效指数、着衣指数及综合舒适度指数，并以此对神东矿区综合气候舒适状况进行分析与评价结论为：神东矿区气象要素年内变化明显，降水年内分配不均，气温、相对湿度呈明显波动，水热同期，4月、11月风速较强；矿区多年平均温湿指数50.02，年际变化较小且呈微弱上升趋势，令人体感觉处于偏冷，较不舒适的程度，多年平均风效指数-481.93，呈微弱逐年下降趋势，总体令人感觉舒适，多年平均着衣指数为1.75，呈逐年升高趋势，矿区近20 a综合舒适指数呈逐年上升趋势；从温湿指数来看，矿区全年无炎热及闷热的人体感觉，人体感觉最舒适的月份为6月份；通过风效指数分析，全年人体并无酷冷及炎热的感觉，气候相对较为温和，年体感最舒适月份为4、9、10月的春秋两季；从着衣指数看，神东矿区5、6、8、9月均为最适的着便装月份，但建议在4-5月、9-10月风速大、温差大的季节酌情增减衣物；神东矿区全年舒适期集中在4-10月，冬季12月至次年2月不舒适。全年舒适期较长且无明显的年际变化，为矿区职工提供了舒适、稳定的工作与生活环境，并比较适合开展各类户外活动，有利于矿区的发展与繁荣。