重庆地区城郊人体舒适度变化特征差异及其影响因素分析

郑箐舟，何军*，李深智，邓承之，吴志鹏，黄萧霖，吴瑕

1. 中国气象局气候资源经济转化重点开放实验室，重庆市气象服务中心，重庆 401147；2. 中国气象局气候资源经济转化重点开放实验室，重庆市气象台，重庆 401147；3. 青岛海洋气象研究院，山东 青岛 266000；4. 包头市气象台，内蒙古 包头 014030

近年来，全球城市化进程不断加快，加重了一系列大气环境效应（比如城市热岛、城市干岛等），引起了研究者们的广泛关注，是地球科学领域一个重要的热点课题（Stocker，2014；Hao et al.，2015；Fang et al.，2020）。目前已经有大量研究表明：在湿润区，城市规模日益扩大的趋势必然会加重城市热岛/干岛强度，城区空气趋于“暖干”（Han et al.，2012；Wang et al.，2020）；城市建筑规划导致城市微气候发生了显著的变化，“高温热浪”现象愈加频繁，其范围和强度也持续升级，对人体健康造成了一定威胁，人体舒适度也受到了不同程度的影响（余兰英等，2009；王阳等，2021）。余兰英等（2009）揭示了重庆地区夏季高温干旱期间疾病谱的特征规律，认为高温期间，上呼吸系统感染、肺炎和急性支气管炎发病情况更加严重。罗鑫玥等（2019）和王阳等（2021）指出高温区的空气密度小、气压低，易形成上升气流，而工厂废气、化学有毒气体会通过大气循环过程，向高温中心汇集，可能会刺激到皮肤，甚至引起皮肤癌。

导致人体热不适的并不仅仅只有高温，环境湿度过高或者过低同样也会影响到人体健康和居住舒适度（Heaviside et al.，2017；杨溟鋆等，2021）。杨溟鋆等（2021）的研究也证明了重庆地区湿度对人体健康存在较大的影响，特别是夜间不适的湿度环境会延续日间高温对人体的危害。Johansson（2006）的研究指出在干燥高温的环境下，人体容易疲劳，皮肤容易干燥，对舒适性产生一定的影响。Odnoletakova et al.（2021）在沙特阿拉伯的研究表明随着气温和湿度趋于异常，热不舒适事件发生愈加频繁，这些现象在夏季尤为明显。另外国内外部分研究已经证实了热岛效应与干岛效应之间存在着相互反馈作用（Khan et al.，2016；Hao et al.，2018），使得高温闷热现象日益严重，在一定程度上对人居环境造成了不利影响（甄晓菊，2014）。

在此背景下，强调以居民热感受为基础的人体舒适度评价对稳定城市小气候、改善热环境等方面的应用有着至关重要的作用。20 世纪初，国内外许多学者就已经围绕气候对人体的影响展开了广泛的研究。早期学者们多基于人体热平衡机理模型提出了舒适度指数（Comfort Index）（Terjung，1966）、风效指数（K0）（Oliver，1978）、标准有效温度（Standard Effective Temperature，SET）（Gagge，1971）等指标。近年来，学者们开始聚焦于人体舒适度在专业气象服务中的应用，结合格点气象实况、卫星雷达遥感和智能预报产品，开发了舒适度预报系统，为公众旅游出行提供气象服务信息（张莹等，2013；甄晓菊，2014）。然而鲜有学者围绕城市规模变化与城市生态环境、居民身体健康的关系展开深度讨论，关于城市大气环境效应与人居环境的联动关系目前还没有得到充分的研究。

重庆市位于四川盆地东部，地处三峡库区生态敏感区，特殊的地形和地理位置造就了重庆盛夏“高温、高湿、少风”的气候特点（洪惠坤，2016；Yang et al.，2020）。自1997 年重庆市成为直辖市以来，肩负了“内陆开放”和“西部引领”的使命，同时也是“两带一路”“长江经济带”等国家战略的实施载体，已经成为了中国城市化进程最为显著的地区之一（洪惠坤，2016）。然而，由于城镇用地的迅速扩张以及土地资源的不合理开发，加重了当地生态系统的不稳定性和脆弱性（洪惠坤，2016；Wang et al.，2020；Yang et al.，2020）。近年来重庆市高温伏旱现象愈发频繁，极端天气呈现出增多增强的趋势（杨溟鋆等，2021）。重庆市在2006 年经历了百年一遇的特大高温干旱天气，上呼吸道感染疾病、中暑、心血管等疾病人数与同期相比显著上升（余兰英等，2009）。大量研究表明热胁迫的增加，已经严重影响了当地的人居环境，对人体热调节以及舒适健康造成了危害（王阳等，2021；杨溟鋆等，2021）。因此，为了弱化“高温热浪”现象、规避热不舒适对人体健康带来的不利影响，探究重庆市人居环境的现状及其特征，厘清城市化对人体舒适度的影响已经迫在眉睫。

本文以城市化进程明显、高温干旱等灾害性天气频发的典型“火炉城市”重庆为研究对象，重点关注1980－2020 年间不同功能区（城区与郊区）温度、干/湿度的变化趋势以及两者的差异，定量刻画重庆市城市化进程中人体舒适度水平的空间分布特征与演化规律，深入探讨气候变化背景下、城市发展对城市热环境与舒适度动态的潜在影响，旨在为公众提供出行适宜指南，也可以为城市气候评估、城市可持续发展提供科学支撑。

1 方法与数据

1.1 研究区域与数据

重庆市（105°11′－110°11′E，28°10′－32°13′N）位于中国西南地区（图1a），是长江上游最大的经济中心。全市面积约为82.4×103km2，其中山地丘陵面积占比超过了90%，地貌环境复杂（洪惠坤，2016）。该地区属于亚热带季风湿润气候，年均气温16－18 ℃，常年降雨量1.00×103－1.45×103mm，水汽充足，受梅雨和西南低涡天气系统影响，降水变率大，既是洪涝多发区，也是旱灾多发区（洪惠坤，2016；Yang et al.，2020）。随着国家战略的部署与推进，重庆市在1997 年成为我国第四个直辖市，之后便进入到了一个空前发展的阶段。该地区城镇化发展的规模和速度、人口密度的激增在国内外均史无前例，可以将1997 年认为是重庆市城市化阶段的节点，1997 年之前为城市化缓慢发展的阶段，之后为城市化快速发展的阶段（杨溟鋆等，2021）。从遥感影像图像也可以直观地感受到城市空间的拓展：相较于1980 年，2015 年不透水面积增加了330%（图1b、c）。中心城区由渝中区、江北区、南岸区、九龙坡区、沙坪坝区、大渡口区、北碚区、渝北区、巴南区组成，面积约54.7×102km2，2020 年常住人口约875 万。

图1 重庆市地理位置图Figure 1 Location of Chongqing

本文采用的数据资料包括：（1）1980 年和2015年的30 m×30 m 分辨率的土地利用/覆被遥感影像数据，来源于中国科学院地理科学与资源研究所发布的中国土地利用遥感监测数据集（https://www.resdc.cn/Default.aspx）；（2）重庆市1980－2020年15个地面气象观测站点的日值观测数据，包括日最高、最低、平均气温（℃）、风速（m∙s−1）和相对湿度（%），来自于国家气象信息中心（http://data.cma.cn/）。

饱和水汽压差（Vapor Pressure Deficit，VPD）表征实际空气距离水汽饱和状态的程度，也就是空气的干燥程度。大气温度对饱和水汽压差的影响显著，特别是在雨量充沛的湿润区，空气温度越大，单位体积的空气容纳的水蒸汽越多，饱和水汽压差越大（袁瑞瑞等，2021）。近年来，研究者们开始关注区域饱和水汽压差的变化，以此来深入了解土地利用变化对大气干湿程度的影响机制（Hao et al.，2018；Huang et al.，2022）。饱和水汽压差计算公式如下：

式中：

ed——饱和水汽压差（kPa）；

es——饱和水汽压（kPa）；

ea——实际水汽压（kPa）；

tmax——日最高气温（℃）；

tmin——日最低气温（℃）；

S——相对湿度（%）。

为了直观地反映出重庆市气温、饱和水汽压差、相对湿度等关键气象要素的时空变化规律，分别计算了各站点1980s、1990s、2000s 以及2010s 气象要素的均值，并借助ArcGis 10.8 软件，以每个地面气象观测站点气象要素值作为中心采样点的属性值，利用地统计模块（Spatial analyst）中反距离加权模型（Inverse Distance Weighted，IDW）进行空间插值，得到每个时间段气象要素的空间分布演化情况。

1.2 城市热岛强度

为了客观评估城市化进程对人居环境、人体舒适度的影响，本文将气象站点分为城区站（Urban）和郊区站（Rural），进行对比研究。以各个气象观测站点为中心，Han et al.（2012）对比了站点周围半径为1－10 km、15 km 和30 km 范围内城市化程度对气象要素的影响后指出，5 km 半径范围内气候受城市变化的影响最为显著。因此，本文基于ArcGis 10.8 软件，统计各气象站点5 km 半径范围内各土地利用/覆被类型的占比，将城镇用地面积占比大于50%的站点视作城市站点，小于50%的站点视作郊区站点。本文所选取的气象站点的基础信息及其空间分布分别见表1 和图1a，其中城市站点3 个，郊区站点12 个。

表1 15 个气象站点的基本信息Table 1 The basic information of meteorological stations used in this study

核心城区气温高于郊区这种地区性气候现象被称为“城市热岛”效应，城郊温度差异亦被称之为城市热岛强度（Urban Heat Island Intensity，UHII）（Li et al.，2010）。本文对比3 个城市站点温度的平均值与12 个郊区站点温度的平均值，以城郊站点的差值来表示研究区城市热岛强度，其公式如下：

式中：

∆tu−r——城市热岛强度（℃）；

turban——城区站点的温度（℃）；

trural——郊区站点的温度（℃）。

1.3 人体舒适度指数的计算

人体舒适度通常与气温、空气湿度等气象要素密切相关（Varentsov et al.，2020；杨溟鋆等，2021）。比如在高温、高湿的环境下，人体散热功能下降，各个器官组织功能会受到不同程度的影响，进而引发疾病甚至死亡（余兰英等，2009）。国内外有许多计算人体舒适度指数的方法，但因各个地区气候条件、自然环境等因素存在一定的差异，目前并没有统一的人体舒适度指数计算公式。孙广禄和甄晓菊等人基于公式（7）对分别对京津冀地区和邢台地区的人体舒适度时空特征进行了研究。重庆市属于内陆城市，因此本文也采用该公式计算1980－2020 年期间研究区各气象观测站点的人体舒适度指数。

式中：

I——人体舒适度指数；

ta——平均温度（℃）；

S——相对湿度（%）；

v——平均风速（m∙s−1）。依据中国气象局规定的统一标准，将人体舒适度等级划分为以下9 个级别（表2）。

表2 人体舒适度等级划分Table 2 The grading standards of human comfort conditions

2 结果

2.1 城市化与气候变化

从温度演化图（图2）来看，研究区内大部分区域温度均呈上升趋势。在80 年代温度高值区域集中分布于中心城区，年均气温普遍在18－19 ℃左右。从城市快速发展阶段（图2c）高值区开始逐步向区县蔓延，形成了以中心城区、万州区、丰都县为中心的3 个明显的高值中心。温度的时空演化规律与该地区城市扩建的趋势较为契合，说明该地区气温变化与土地利用/覆被变化存在一定的相关性。受地形分布影响，温度的低值区主要分布在渝东北（城口县）和渝东南（酉阳、秀山县）。这些地区常年温度基本在13－15 ℃，均为人口相对稀疏、城镇化水平较低的地区。虽然研究期期间低值中心也呈现出轻微的增温趋势，但变化幅度远不如高值区显著，导致城郊平均气温差异逐渐拉大，揭示了研究区“城市热岛”效应存在且愈加显著。

图2 重庆市1980－2020 年各年代平均温度分布演化图Figure 2 Spatio-temporal evolution process of mean air temperature in the Chongqing for the period of 1980–2020

研究区饱和水汽压差以增加趋势为主，从21 世纪初期开始逐步形成了以中心城区、万州区、丰都县为中心的局部高值区，且高值区呈扩大趋势（图3c、d））。研究区边缘地区饱和水汽压差的变化较为平稳。总的来说，研究区饱和水汽压差随时间的演化趋势和气温具有显著一致性，表明该地区呈暖干化趋势发展，且可能会维持较长一段时间。此外，在城市化与气温变暖的共同作用下，近20 年饱和水汽压差的增加幅度相对80、90 年代明显加快。

图3 重庆市1980－2020 年各年代饱和水汽压差分布演化图Figure 3 Spatio-temporal evolution process of mean vapor pressure deficit in the Chongqing for the period of 1980–2020

重庆市气候偏湿，部分区域相对湿度常年在80%以上（图4）。然而研究区有变“干”的趋势，相对湿度以负位相变化为主，尤其在21 世纪之后，其减少趋势更加明显。此外，城郊相对湿度之间的差异也不断扩大，在80 年代（图4a），两者相对湿度差异并不明显，整个研究区相对湿度在78%－83%左右。到了21 世纪初（图4d），城区相对湿度只有68%－73%，明显低于其他地区，较低的相对湿度一定程度上会加剧城市干岛效应，意味着未来该区域可能会进入偏干期。

图4 重庆市1980－2020 年各年代相对湿度分布演化图Figure 4 Spatio-temporal evolution process of mean relative humidity in the Chongqing for the period of 1980–2020

重庆市1980－2020 年期间城区与郊区站点平均温度分别以0.4 ℃∙(10 a)−1和0.3 ℃∙(10 a)−1的速度显著上升（P<0.01）（图5a）。随着城市化的推进，城市热岛强度增强（P<0.01），城区站点的温度明显高于郊区站点，平均城市热岛强度达到了1.25 ℃，并在2003 年达到峰值（接近2 ℃）。根据研究区城市化发展速度，以1997 年为节点将研究时段分为两个时期来对比分析主要气象因子对不同程度城镇化水平的反馈（图5d）。结果表明：相较于城市缓慢发展的阶段，1997 年之后城市热岛强度增加趋势更加明显，从0.1 ℃∙(10 a)−1陡增至0.2 ℃∙(10 a)−1，变化速率增加了一倍。这意味着重庆直辖之后，随着人口的聚集和城镇面积的扩张，热岛效应明显加强。

图5 重庆市1980－2020 年城郊站点各关键气象因子及其差值的年际变化Figure 5 Annual variations in key climate variables and their differences at urban and rural meteorological observation stations during 1980–2020 in Chongqing

虽然城、郊区站点的饱和水汽压差均呈现出了显著的上升趋势（P<0.01），但是城区的增速远高于郊区，几乎为郊区的两倍，两者差值的变化速率也从0.03 kPa∙(10 a)−1增加到了0.05 kPa∙(10 a)−1（图5b、e）。随城市发展，城郊站点相对湿度分别以−2.2%/(10 a)、−1.0%/(10 a)的速度呈现出波动下降的态势，其中城区站点的变化趋势通过了置信度为95%的显著性检验（图5c）。进入21 世纪之后，城郊站点相对湿度的差值逐渐加大，在2012 年达到峰值（接近5%）。饱和水汽压差与相对湿度的时空演化规律表明了随着研究区城市化进程的加快，“城市干岛”效应有增强的趋势。

2.2 城市化与人体舒适度指数

由于重庆地形条件复杂，海拔高度落差较大，城市化速度有差异，在1980－2020 年期间人体舒适度呈现出不同的变化趋势（图6）。渝东北、渝东南地区人体舒适度明显低于其他地区，其人体舒适度长年处于−1 等级，体感偏凉，且局部有冷不舒适度增强的趋势。中心城区以及靠近城区的渝西地区年均人体舒适度总体呈现出向热不舒适方向发展的趋势，该趋势在2000 年之后更加显著（图6c、d）。

图6 重庆市1980－2020 年各年代人体舒适度分布演化图Figure 6 Spatio-temporal evolution process of human comfort index in the Chongqing for the period of 1980–2020

近40 年间城郊站点舒适度指数均值差异不大，分别为62.5 和60，均处于人体感觉最为舒适的等级（图7）。重庆市人体舒适度指数年均值变化较大，均呈现出波动上升趋势，其中城区站与郊区站上升趋势分别通过了置信度为99%、95%的显著性检验，这意味着在未来城区将面临着严峻的热不舒适风险。

图7 重庆市1980－2020 年舒适度指数年际变化Figure 7 Annual variations in the human comfort index during 1980–2020 in Chongqing

城郊舒适度日数分别呈轻微的减少、增加趋势，但总体变化趋势并不明显，城郊年均舒适日数差异也不明显，在170－220 d 之间波动，表明研究区舒适程度较高（图8）。城郊站点的冷不舒适日数均在逐年减少，趋势值分别为−3.6 d∙(10 a)−1、−2.2 d∙(10 a)−1，其中城区站点通过了α=0.05 的显著性水平检验。郊区站点年热不舒适日数约在50－80 d 之间波动，变化趋势并不明显；而城区站点平均热不舒适日数达到81 d，约占全年日数的22%左右（图9），并以 3.5 d∙(10 a)−1的速率呈显著上升趋势（P<0.01）。研究区城镇化进程的推进给构成人体舒适度的关键气象要素造成了显著的影响，导致了人体舒适度往炎热不舒适的方向发展，使得市区公共健康和能源的可持续发展面临着巨大的挑战。

图8 重庆市1980－2020 年舒适度各等级时间年际变化图Figure 8 Changes in the number of days with human comfort conditions in each grade during 1980–2020 in Chongqing

图9 人体舒适度各等级分布Figure 9 Proportion of human comfort conditions in each grade

3 结论与讨论

3.1 结论

本文综合考虑当前国内外城市气候、人居环境研究现状，选取城镇面积扩张速度较快、规模较大的重庆市作为研究对象，基于1980－2020 年重庆市卫星影像数据、地面气象观测站点日最高、最低、平均气温（℃）和相对湿度（%）等气象数据，系统地分析了该市关键气象要素的时空变化趋势，重点厘清了城市热岛强度和人体舒适度指数变化的基本特征，同时围绕城市化对人居环境的影响展开探讨，以期为重庆公众出行出游提供科学指南，同时为实现城市化背景下城市气候评估和城市可持续发展提供科学依据。本文研究结果主要有以下3 点：

（1）热岛、干岛的发展方向与城镇面积扩张的趋势基本一致。研究期间重庆市大部地区气温以及饱和水汽压差呈不同程度的上升趋势，其中不透水面面积增加明显的中心城区、万州区和丰都县上升趋势明显高于其他地区；大部地区相对湿度呈现出下降趋势，其中中心城区下降趋势显著。

（2）重庆市城市化对气象要素年际变化有显著影响。对比城郊站点长时间序列平均温度、饱和水汽压差和相对湿度的年际变化，城区站点变化趋势更加显著，城郊气象要素差距逐年增大。特别是在重庆市快速城市化阶段（1997 年之后），城郊主要气象因子的变化幅度存在明显差异，城区增温效应更加明显，湿度明显降低。

（3）城市化引起的大气环境效应将持续加强，进而导致了人体舒适度往炎热不舒适的方向发展。从舒适度等级空间分布及其年际变化趋势来看，目前重庆市大部地区主要以舒适为主，然而城区热不舒适日数和冷不舒适日数分别以3.5 d∙(10 a)−1、−3.6 d∙(10 a)−1的速率呈现出显著性趋势（P<0.05），郊区站点各等级舒适度日数年际变化较为稳定。城市化进程对城区人居环境、人体舒适度的影响较大，城区人体舒适度指标有明显的变化，人居环境面临着更加严峻复杂的挑战，公众健康受到不利影响，这值得引起社会公众的高度重视。

3.2 讨论与建议

重庆市是我国人类活动最强烈的地区之一，稳定的城市小气候环境对该地区经济、社会、人体健康、舒适度等多方面有着不可估量的影响。然而全球气温整体攀升、城镇面积的扩张以及工业、产业、人口等各种资源不断向城区聚集，使得核心城区能量收支不平衡，“暖干”趋势愈加明显，形成了典型的热区，进而导致城区热环境质量大大降低，直接影响到人们对环境舒适度的感受。另外城区规模扩张依然是未来重庆发展的主要趋势之一，城郊差距必然会不断扩大，这意味着重庆市核心城区将长期面临着严峻的热环境问题，该地区经济发展与生态环境、人体舒适度的改善之间的矛盾可能会更加突出。

为了缓解城市热环境效应、稳定城市小气候、提高人居环境的舒适度，适当控制城市建设强度，采取增加绿化覆盖度和水体面积等措施形成“生态冷源”以期达到降温效果；利用重庆盆地地形的特征，根据当前城区热环境现状与通风潜力，合理布局城市空间形态，保持空间的开阔程度，针对城市建筑高度以及密度出台严格的管控机制，以形成利于气体流动的“街道峡谷”，将郊区冷空气引入市区，减少高温危害，提高居民舒适度。

人体舒适度与气温、湿度、风速等多种气象因素密切相关，其变化程度在一定程度下能反映出在不同城市化阶段人类活动与自然生态系统的相互作用。本文通过研究重庆市人体舒适度的时空变化及其影响因子的变化特征，有助于分析与探索气候变化，尤其是极端高温气候事件，对城市微气候、人体健康等方方面面的影响机理，深化对城市人居热环境效应的时空演化及驱动机制的认知，揭示人类活动与自然因素间相关关系和相关程度，为提高重庆市城市建设管理水平、城区居民舒适性提供科学依据。

当然，本文也存在一定欠缺。本研究中人体舒适度等级的划分依据来自中国气象局的统一标准，并未根据重庆当地居民的热感觉进行等级区间的修正。未来可以开展问卷调查工作，了解公众对热环境的耐热性和适应性，来确定人体舒适度等级区间，以期提高人体舒适度指数在研究区的适用性，同时为当地气象部门开展气象指数预报业务提供参考。