长江三角洲地区人体舒适度时空变化特征

张春阳 李正泉 肖晶晶 周良女 方贺 张立波 张含

1 衢州市气象局，浙江衢州 317100

2 浙江大学地球科学学院，杭州 310027

3 浙江省气候中心，杭州 310052

4 绍兴市气象局，浙江绍兴 312000

1 引言

气候是人们赖以生存的自然环境，与人体健康关系密切（Wu et al., 2014; Kanayama et al., 2017;李正泉等, 2020）。温和湿润的滨海气候和微凉干爽的高山气候有助于病患康复和人体免疫系统调节，对人体健康有着积极作用，而高温、严寒、潮湿、干燥和强辐射等不利气候环境亦可诱发疾病、损害人体健康（WHO, 2018; Huang et al., 2019; 韩丽娜等, 2021; 刘旗洋等, 2021）。我国早期典著《黄帝内经》和《淮南子》书中就有“高者气寒，下者气热”、“暑气多夭，寒气多寿”等气候与健康的相关论述。1996 年世界卫生组织（WHO）、世界气象组织（WMO）和联合国环境规划署（UNEP）共同发布了气候变化与人类健康报告（McMichael et al., 1996）；2014 年IPCC 第五次评估报告对气候变化与人体健康影响也作了专门论述，指出：极端温度事件可引起与冷热相关疾病的发病率和死亡率变化、高温诱使死亡人数和病患人数增加、极端气象事件可导致死亡、心理失衡后果等（IPCC,2014）。

在气候与健康的相关指标研究中，国内外学者已相继开展了大量研究，如：有效温度（Effective Temperature, ET）（Houghton and Yaglo, 1923）、湿球黑球温度（Wet Bulb Globe Temperature, WBGT）（Yaglou and Minard, 1957）、人体舒适度气象指数（ Body Comfortability Meteorological Index,BCMI）（沈艳等, 2021）、温湿指数（Temperature-Humidity Index, THI）（Ouellet et al., 2019）、风寒指数（Wind Chill Index, WCI）（Siple and Passel,1945）、度假气候指数（Holiday Climate Index,HCI）（胡桂萍等, 2015），等等。其中，ET、WBGT、THI 仅考虑温度、湿度等要素对人体影响；BCMI、WCI、HCI 不仅考虑了温度、湿度，还考虑了风速、降水等要素对人体影响，但是均未将人体对辐射的生理热响应纳入考虑。国内外已有的上百种指数多基于经验指标，因其基于特定的基本原理和构造目的，尚未体现气象因子与人体热生理状态一一对应的逻辑状态。多元气象条件下，人体与气候环境之间的生物热量交换不仅受温度影响，同时，还与湿度、风速、辐射以及人体代谢、服装热阻等密切相关。近些年，国际生物气象学会从人体生理学角度提出了基于多节点人体热调节原理的通用热气候指数（Universal Thermal Climate Index,UTCI），该指数考虑了气温、湿度、辐射、气压、风速等多要素对人体冷热胁迫的综合效应，是目前模型机理最清晰、考虑要素最全面、最具普适性的气候指数之一（Jendritzky et al., 2012; Bröde et al.,2012）。

国内外已有诸多学者运用UTCI 进行区域气候人体热响应分析研究，孔钦钦等（2016）用一日4个时次资料基于UTCI 分析了1979～2014 年中国气候舒适度的空间格局和时空变化特征； Talhi et al.（2020）验证了UTCI 在阿尔及利亚首都阿尔及尔市气候和社会文化背景下评估夏季微气象舒适度的能力，指出UTCI 能够准确预测和评估南地中海气候下的室外人体热舒适水平；Di Napoli et al.（2018）在研究中，利用38 年的气象再分析数据，评估欧洲夏季UTCI 热生物气候，发现在中等和强烈压力条件下，死亡人数会增加，证明了UTCI 作为欧洲热相关健康风险指标的潜力；Pappenberger et al.（2015）亦开展了UTCI 与极端高温有关的健康危害风险关联研究，等等。但是上述研究多是国外研究，多局限在择取几个时次、亦或是仅局限在针对夏季研究，目前尚未有专注于长江三角洲地区的全天候逐小时高时间频次研究。长江三角洲城市圈是世界六大城市圈之一，地处亚热带和暖温带的气候过渡地带，人口密集、经济发达，是我国气候变化最敏感的区域之一。本文基于1981～2020 年期间ERA5 逐小时再分析资料，采用UTCI 计算方法，分析提炼气候变化背景下长江三角洲地区人体生理热响应时空变化特征，以期为长三角城市规划、民众健康、能源消耗、旅游休闲等相关适应性对策的制定提供参考依据。

2 数据与方法

2.1 数据来源与研究区域

本文与UTCI 相关的2 m 气温、2 m 露点温度及10 m 风速等气象数据数据来源为ECMWF 的ERA5 再分析资料，其中平均辐射温度（Tmrt）数据来源于ERA5-HEAT 数据集。空间水平分辨率为0.25°（纬度）×0.25°（经度），时间分辨率为1 h，数据年限为1981～2020 年。研究区域为长江三角洲地区，主要包括江苏、浙江、安徽和上海三省一市，区域总面积约35.73×104km2。长三角北面多平原、南部多丘陵山地、东部濒海，区域内主要湖泊有太湖、洪泽湖、巢湖、千岛湖、高邮湖等。由于浙江省地形地貌相对复杂，故在进行长三角代表站人体冷热胁迫气候频率分析时，除选取三省一市的省会国家级观测站外，还选取了浙江10 个地级市的国家级观测站作为分析对象，所选取的代表站位置分布见图1。

图1 长江三角洲地区地形地貌、代表站位置分布（红点：省会代表站，星号：地级市代表站）以及地级市行政边界Fig. 1 Topography of the Yangtze River Delta region and distribution of representative stations and administrative boundaries of prefecturelevel cities (red dot: Representative stations of provincial capitals;Asterisk: Resentative stations of prefecture-level cities)

由国际生物学会提出的UTCI 通用热气候指数是基于多节点人体生理热调节模型和自适应穿衣模型而建立的（Fiala et al., 2012; Havenith et al., 2012），是当前考虑气象要素最全面、最具普适应的人体冷热胁迫评价指标（Jendritzky et al., 2012）。UTCI被定义为在标准参照环境下，使人产生与实际环境中相同生理响应的气温。标准参照环境定义如下（Bröde et al., 2012）：1）气候条件：平均辐射温度等于气温，10 m 风速 0.5 m/s，相对湿度为50%（2 m 气温＜29 °C）或水汽压为20 hPa（2 m 气温＞29°C）；2）人体活动水平：步行速度为4 km/h的成年男子（人体代谢率为135 W/m2）。将UTCI对气温、风速、水汽压和平均辐射温度进行6 阶多项式拟合，建立统计关系式（Bröde et al., 2012）：

其中，Ta为2 m 气温（单位：°C），v为10 m 风速（单位：m/s），Pa为水汽压（单位：hPa），Tr为平均辐射温度（单位：°C），水汽压Pa由露点温度Td（单位：°C）计算得到：

从公式（1）中可知，UTCI 的计算需要辐射温度、气温、风速、露点温度等数据，可通过BioKlima2.6软件或用官方公布的Fortran 程序来计算（Bröde et al., 2012）。根据UTCI 国际通用等级划分标准

（Bröde et al., 2012），结合长江三角洲地区特点将UTCI 冷热胁迫对人体健康影响分为8 个等级。为便于表述，本文将“很强—较强热胁迫”归类为“热胁迫”，将“很强—轻微冷胁迫”归类为“冷胁迫”，另将“很强—强热（冷）胁迫”归类为“显著热（冷）胁迫”（表1）。

表1 长江三角洲地区1981～2020 年通用热气候指数（UTCI）热胁迫等级划分标准Table 1 Universal Thermal Climate Index (UTCI)equivalent temperatures categorized based on the thermal stress in the Yangtze River Delta region from 1981 to 2020

2.2 指数统计

选取长江三角洲地区537 个格点ERA5 全天候逐小时再分析资料，计算1981～2020 年间逐小时UTCI 热气候指数，进行长江三角洲地区UTCI 热气候指数全年与四季特征分析统计。此外，进行了全年和四季各等级相应频率（即该等级出现时次占总时次比例）时空特征分析，另根据格点面积权重计算出无冷热频率各阈值所占空间面积比例。

3 结果与分析

3.1 长江三角洲地区冷热胁迫频率空间分布

1981～2020 年长江三角洲地区无冷热胁迫、热胁迫、冷胁迫、显著热胁迫、显著冷胁迫气候频率空间分布见图2。长江三角洲地区人体无冷热胁迫气候条件的出现频率均值约为43.77%、热胁迫和冷胁迫频率分别约为22.42%、33.81%，其中，显著热胁迫、显著冷胁迫频率分别约为8.38%、1.58%。无冷热胁迫频率高于50%的区域面积为2.99×104km2，占长江三角洲地区总面积的8.38%，主要分布在浙南丽水、温州等山地地区，与前人所述丽水为中国养生之乡等结论相一致；无冷热胁迫频率低于40%的区域面积为0.86×104km2，占长江三角洲地区总面积的2.42%，主要分布在苏皖北部局部地区（见表2）。

表2 长江三角洲地区1981～2020 年无冷热胁迫频率地理分布特征Table 2 Geographical distribution characteristics of frequency with no thermal stress in the Yangtze River Delta region from 1981 to 2020

在空间分布上，长江三角洲地区人体无冷热胁迫气候条件出现频率总体表现为南多北少地带性分布，兼有山区多平原少、沿海多内陆少分布特征，如浙江南部、浙江—安徽交界黄山、安徽西部大别山等山地人体无冷热胁迫频率明显高于周边平原地区，如上海、舟山等滨海区亦高于周边地区（图2a）；热胁迫的出现频率主要呈现南多北少特征，兼具在湖泊、山地、沿海地带明显减少特征，如太湖、洪泽湖、浙江南部山地、浙江—安徽交界黄山、安徽西部大别山及舟山以北的沿海岸区等地热胁迫出现频率明显低于周边地区（图2b）；冷胁迫主要呈现北多南少特征，兼有在湖泊地带、上海—江苏及浙江北部沿海地区明显增多特征，如太湖、洪泽湖、上海—江苏及浙江北部滨海地区冷胁迫明显高于周边地区（图2c）；显著热胁迫主要出现在安徽西部和南部的平原以及浙江的嘉绍平原和金衢盆地（图2d）；显著冷胁迫主要出现在江苏北部、安徽北部和舟山以北的沿海岸区（图2e）。

图2 长江三角洲地区1981～2020 年UTCI 等级频率空间分布：（a）无冷热胁迫；（b）热胁迫；（c）冷胁迫；（d）显著热胁迫；（e）显著冷胁迫Fig. 2 Spatial distributions of UTCI grade frequency in the Yangtze River Delta region from 1981 to 2020: (a) Climate conditions with no thermal stress; (b) climate conditions with heat stress; (c) climate conditions with cold stress; (d) climate conditions with intense heat stress; (e) climate conditions with intense cold stress

3.2 长江三角洲地区UTCI 年代变化特征

长江三角洲地区1981～2020 年UTCI 值的年代际变化如图3 所示。UTCI 年均值的年代变化总体呈上升趋势（图3a），具体表现为先增高、后有所回落，在2001～2010 年触顶，2011～2020 年回落，其中位数由1981～1990 年的13.83°C 增加至2011～2020 年的14.75°C（表3）；夏秋季UTCI的年代际变化与全年UTCI 的变化趋势基本相似（图3b）。

春季UTCI 的年代变化表现为逐步升高趋势（图3b），其中位数由1981～1990 年的12.96°C增加至2011～2020 年的14.51°C（表3），而冬季UTCI 的年代变化与其他季节有所不同，它在1991～2000 年触顶后就开始下降（图3b）。总体而言，2011～2020 年全年和四季UTCI 值均高于1981～1990 年。在1981～2020 年4 个年代期间，全年、春季、夏季、秋季和冬季UTCI 值的变化幅度之中，春季的变化幅度最大（约为1.55°C），夏季的变化幅度最小（约为0.68°C），见表3。

表3 长江三角洲全年与四季UTCI 中位数分布Table 3 Annual and seasonal median distributions of UTCI

图3 1981～2020 年长江三角洲地区UICI 值（a）全年及（b）季节年代际特征分布Fig. 3 Interannual distribution of (a) annual and (b) seasonal characteristics of UICI values in the Yangtze River Delta from 1981 to 2020

3.3 各等级冷热胁迫年内频率分布

选取长三角三省一市的省会代表站和浙江10个地级市代表站，对年内各等级冷热胁迫的出现频率进行统计分析，见图4（代表站按纬度由北向南依次排列）。1981～1990 年，14 个代表站无冷热胁迫频率平均值为45.02%（合肥41.52%～丽水51.43%）；显著冷胁迫（很强—强冷）平均值为1.00%（金华0.12%～舟山2.51%）；显著热胁迫（很强—强热）平均值为8.06%（舟山3.81%～金华10.84%）。2011～2020 年，14 个代表站无冷热胁迫频率平均值为45.48%（南京42.12%～丽水51.27%）；显著冷胁迫平均值为0.71%（金华0.07%～舟山1.87%）；显著热胁迫平均值为9.01%（舟山5.00%～金华11.70%）。

图4 （a）1981～1990 年和（b）2011～2020 年长江三角洲地区代表站各等级冷热胁迫出现频率Fig. 4 Annual occurrence frequency of thermal stress at each grade of representative stations in the Yangtze River Delta region during (a) 1981-1990 and (b) 2011-2020

相比1981～1990 年，2011～2020 年14 个代表站很强冷胁迫变化仅不到万分之一；强冷胁迫、较强冷胁迫和轻微冷胁迫平均值分别减少了0.31个百分点、1.86 个百分点和0.67 个百分点；无冷热胁迫频率平均值增加了0.45 个百分点；较强热胁迫、强热胁迫和很强热胁迫频率平均值分别增加了1.43 个百分点、0.49 个百分点和0.45 个百分点；显著热胁迫频率平均值增加了0.94 个百分点；显著冷胁迫频率减少了0.29 个百分点。2011～2020年人体生理热响应等级变化主要体现在较强冷胁迫的减少和较强热胁迫的增加，无冷热胁迫频率变化不明显，此结果与（孔钦钦等, 2016）早期研究所指出的中国东部地区无冷热胁迫频率变化不显著等结论相一致。

3.4 无冷热胁迫及显著冷热胁迫出现频率年际变化

选取长三角三省一市的省会代表站，着重分析1981～2020 年无冷热胁迫、显著冷胁迫和显著热胁迫的出现频率变化（见图5）。在1981～2020 年期间，长三角4 个代表站（合肥、南京、上海、杭州）无冷热胁迫频率、显著冷胁迫频率和显著热胁迫频率的年际变化，虽存在一定性的年际波动，但总体趋势均未呈现出显著性的增高或降低（线性回归方程均未通过0.05 的显著性水平检验）。长江三角洲地区2010 年夏季显著热胁迫、冬季显著冷胁迫均偏多，冬冷夏热，全年无冷热胁迫频率达到近40 年最低谷值（38.46%）；2015 年，夏季显著热胁迫、冬季显著冷胁迫均偏少，冬暖夏凉，全年无冷热胁迫频率达到近40 年最高峰值（48.34%）。

上海站夏季显著热胁迫发生频率明显偏低于其他3 站（图5b），这可能归因于滨海气候特有的海陆风影响。在夏季，由于海陆热力差异，滨海地区盛行海风（风从海面吹向陆地），凉爽的海风在一定程度上能够缓解上海的夏季热胁迫。在4 个代表站中，杭州站的位置最为靠南，其冬季显著冷胁迫发生频率也是最低，基本维持在5%以下（图5c）。在1981～2020 年期间，冬季显著冷胁迫发生频率有两个明显的峰值，出现在1984 年和2018 年，这与长江三角洲地区气候异常的大背景（朱安豹等,2016; 支蓉和高辉, 2019）相吻合，该两个年份长江三角洲地区的冬季气温异常偏低。

无冷热胁迫的气候条件是人体最为舒适的气候区间，其出现频率的高低可基本反映出一个地区的气候舒适性。图5a 显示无冷热胁迫的出现频率并未随气候变化而发生显著性变化，为了在解释气候变暖背景下无冷热胁迫频率而无明显变化的原因，本文进一步分析了1981～2020 年春、夏、秋、冬各季节无冷热胁迫出现频率的年际变化（见图6）。无冷热胁迫频率四季分布特征为春秋高、夏冬低，即春季和秋季为长江三角洲地区人体生理状态最舒适季节。4 个代表站春季无冷热胁迫频率普遍介于40%～50%之间（图6a），夏季无冷热胁迫频率普遍介于20%～60%之间（图6b），其中上海最高，体现出滨海气候在夏季的优越特征，秋季无冷热胁迫频率普遍介于50%～80%之间（图6c），冬季无冷热胁迫频率普遍在30%以下（图6d），其中上海最低，这与冬季海上多大风气候因素有关。在全球气候变化背景下，1981～2020 年4 个代表站春季无冷热胁迫频率平均值显著增加（图6a），这是由于全球变暖背景下，春季部分冷胁迫向无冷热胁迫方向转变。夏季无冷热胁迫频率平均值显著降低（图6b），它们的线性回归方程通过0.05 的显著性水平检验，这是由于全球变暖背景下，长三角地区高温情况加剧，夏季部分无冷热胁迫向热胁迫方向转变。秋季和冬季的无冷热胁迫频率未发生明显变化，春季无冷热胁迫频率（维持时长）的增加基本抵消了夏季无冷热胁迫频率（维持时长）的减少。

图5 长江三角洲地区4 个代表站（a）全年无冷热胁迫、（b）夏季显著热胁迫和（c）冬季显著冷胁迫频率的变化趋势Fig. 5 Trends of frequency with (a) no thermal stress throughout the year, (b) intense heat stress during summer, and (c) intense cold stress during winter of four representative stations in the Yangtze River Delta region

图6 长江三角洲地区4 个代表站无冷热胁迫频率的（a）春季（b）夏季（c）秋季（d）冬季变化趋势Fig. 6 Trends of seasonal frequency with no thermal stress of four representative stations in the Yangtze River Delta region. Trends of seasonal frequency in (a) spring, (b) summer, (c) autumn, and (d) winter

4 结论

本文基于1981～2020 年ERA5 的逐小时再分析资料，采用通用热气候指数（UTCI）计算方法，分析气候变化背景下长江三角洲地区人体生理热响应时空变化特征。结果表明：

（1）近40 年长江三角洲地区人体无冷热胁迫气候条件的出现频率约为43.77%、热胁迫和冷胁迫出现频率分别约为22.42%和33.81%，其中，显著热胁迫和显著冷胁迫出现频率分别约为8.38%和1.58%；长江三角洲地区无冷热胁迫频率大于50%的面积约占总面积的8.38%，无冷热胁迫频率小于40%区域仅约占总面积的2.42%。

（2）长江三角洲地区无冷热胁迫气候条件的出现频率总体表现为南多北少地带性分布，兼有山区多平原少、沿海多内陆少分布特征；热胁迫主要呈现南多北少特征，兼有在湖泊地带、山地、沿海地区明显减少特征；冷胁迫主要呈现北多南少特征，兼有在湖泊地带、沪苏及浙北沿海地区明显增多特征。显著热胁迫主要出现在皖西和皖南的平原以及浙江的嘉绍平原和金衢盆地，显著冷胁迫主要出现在苏北、皖北和舟山以北的沿海岸区。

（3）在气候变暖背景下，长江三角洲地区UTCI值的年代际变化呈上升趋势，由1981～1990 年13.83°C 增加至2011～2020 年14.75°C，人体生理热响应表征为冷胁迫减少、热胁迫增加，无冷热胁迫频率基本未发生变化，春季无冷热胁迫频率增加的时长基本抵消了夏季无冷热胁迫频率减少的时长。相比1981～1990 年，2011～2020 年的人体生理热响应等级变化主要体现在较强冷胁迫的减少和较强热胁迫的增加。

（4）沿海岸的滨海区（上海、舟山等）因受海陆风的夏季海风影响，其夏季热胁迫发生频率明显低于周边地区，同时冬季它们冷胁迫发生频率也明显高于周边地区。安徽的大别山和黄山区域、浙江南部山区和浙江东南部滨海及海岛区冬季冷胁迫少、夏季热胁迫也相对较低，无冷热胁迫的年平均频率多在48%以上，是长江三角洲地区的气候舒适区。

本文主要关注长江三角洲地区人体舒适度时空特征分析，如何进一步与疾病风险、医疗数据等关联分析，有待今后继续深入研究探讨。另外，四季内各等级分布的变化或互补效应亦有待进一步细化研究。