宜昌市夏季氣候舒適性分析

孔德亞，黃建武，王維高，劉子豪

(1.華中師范大學地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430079 2.華中師范大學可持續發展研究中心，湖北 武漢 430079)

氣候是重要的資源，是人們出行考慮的重要因素。適宜的氣候不僅適宜旅游活動，而且對于出行人的身體健康具有重要影響。氣溫、相對濕度和風速等氣象要素對人體舒適感覺的影響最大[1]。考慮溫度、相對濕度和風速的單因素以及綜合要素對氣候舒適度的影響很有必要。宜昌市位于湖北省西部,是湖北省屬副中心城市，人文旅游資源豐厚富足[2]，境內有4處國家5A級旅游景區，數量居全國城市第四,是優秀的旅游城市。該市屬于亞熱帶季風氣候區，夏季空氣濕潤，是高溫、強光照季節[3]。同時夏季是旅游的旺季，也是人體對舒適度最敏感的季節[4]。對宜昌市夏季氣候舒適度的特征進行分析和評價，可以為宜昌市旅游規劃提供參考依據。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本文所用氣象資料來源于中國氣象科學數據共享服務網，選取宜昌國家基準氣候站(111°31′ E,30°73′N,海拔133.1 m)1986—2015年間夏季氣象資料(氣溫、風速、濕度)進行分析。季節劃分以6～8月為夏季。

1.2 研究方法

在本文中主要采用模糊評判和人體舒適度指數計算模型兩種方法,都是主要基于氣溫、風速和濕度三種氣象要素的氣候舒適度評價方法。氣候舒適度受多種氣象要素的影響,要素之間相互聯系,不同要素對舒適度的影響程度不同,所以問題本身很復雜。模糊評判[5-7]是解決這種問題的有效方法，對多因素多層次的復雜問題評判效果較好。人體舒適度指數計算模型則主要是考慮了氣溫、風速、濕度等氣象要素對人體的綜合作用[8]，通過公式計算和舒適度等級劃分標準確定氣候舒適度情況。模糊評判和人體舒適度指數計算模型都能考慮氣溫、風速和濕度的綜合影響，只是模糊評判先給與氣溫、風速和濕度不同權重系數，還可以分析出各單因素的影響。

1.2.1 模糊評判

對宜昌市夏季氣候舒適度的評價采用模糊評判的方法，選取該市1986—2015年夏季逐日平均氣溫、平均風速和平均相對濕度作為評價的氣象要素。選定因素的論域為U=(氣溫t，風速v，相對濕度f)。評價的論域為A=(很舒適B1，舒適B2，較舒適B3，不舒適B4)。

參照參考文獻[9]， 以平均氣溫24 ℃、平均風速2 m/s以及相對濕度70%作為人體最舒適的小氣候條件。根據宜昌市氣候特點以及王雁等[10]對湖北省夏季模糊評判所采取的的指標，把氣溫24 ℃、風速 2 m/s和適度70%作為最舒適小氣候。對宜昌市溫度、風速和濕度要素建立的隸屬函數方程如下。

(1)

(2)

(3)

將氣象要素值分別代入各隸屬函數方程，求出氣溫、風速和濕度的隸屬函數值。根據文獻[10]將隸屬函數值的大小規定為：U≥0.85很舒適；0.85>U≥0.75舒適；0.75>U≥0.60較舒適；U<0.60不舒適。

建立U到A的單因素評判矩陣R，R中每個元素是U中各個因素隸屬函數值對應A中各個等級的個數在該因素中所占的百分比。

例如以宜昌市1998年7月份資料為依據，把7月份逐日氣象要素代入(1)、(2)、(3)式中，根據上述隸屬值大小規定的舒適度等級劃分標準，宜昌市7月份各氣象要素屬于很舒適、舒適、較舒適、不舒適的次數分別為1、3、10、16；6、8、9、7；16、8、4、2。其在30年記錄中所占百分比分別為 0.033、0.100、0.333、0.533；0.200、0.267、0.300、0.233；0.533、0.267、0.133、0.067；所以，宜昌市1998年7月夏季單因素評價矩陣為：

所以，同理可以得到宜昌市1986—2015年夏季單因素評價矩陣：

人體對氣候環境的感覺是受多種氣象因素影響的綜合反應，這就需要做出綜合評判。其中影響人體舒適度的多種要素并不是同等重要，經過前人研究及經驗總結[10-12]，選取氣溫、風速、相對濕度3種氣象要素對夏季人體舒適度影響的權重分配為(0.60,0.20,0.20)，建立U的一個模糊子集V,由B=V·R得出人體舒適度的綜合評判結果，見表1。

表1 宜昌市夏季舒適度模糊評判(1986—2015年)Table 1 Fuzzy evaluation of summer comfortability in Yichang (from 1986 to 2015)

1.2.3 氣候舒適度結果分析

綜合評判的前3項之和(B1+B2+B3)表示氣候環境的宜人程度。宜昌市6月份的平均氣溫為25.4 ℃，很接近人體感覺最舒適的溫度，在3個月份中很舒適指數最高達到0.412，不舒適指數也最低為0.251，前3項之和為0.749，宜人程度高。整體看宜昌市6月份氣候舒適性較好。7月份平均氣溫為27.9 ℃，平均相對濕度為80%。不舒適指數是3個月中最高值為0.413，很舒適指數為0.3，舒適和較舒適指數都為0.1左右，舒適度指數比6月份減少較多，說明7月份氣候舒適性總體不如6月份。8月份平均氣溫為27.2 ℃，平均相對濕度為78%。很舒適指數在0.3左右，不舒適指數為0.374，8月份的氣候舒適性比7月份有所提高。從宜昌市夏季綜合情況來看，前3項之和為0.65，不舒適指數為0.35，總體看宜人程度較好。由宜昌市1986—2015年夏季單因素評價矩陣可以看出，氣溫、風速和濕度造成的不舒適指數分別為0.416、0.321和0.167。所以宜昌市夏季不舒適性主要由氣溫造成的、其次是風速、最后是濕度。

1.3 人體舒適度指數

人體舒適度指數ICHB是運用較為普遍的評價模型。其人體舒適度指數公式如下。分級標準見表2。

(4)

其中，t為氣溫，℃；HR是相對濕度，%；V是平均風速，m/s。

表2 宜昌市人體舒適度指數的等級劃分標準Table 2 Classified standards of human comfort index ICHB in Yichang

從圖1中可以看出宜昌市1986—2015年夏季人體舒適度指數的變化情況，6～8月份的ICHB范圍分別是68～74、71～77、70～76，感覺程度基本為偏熱、較熱和熱的氣候。其中在30年中6月份偏熱年份占到10%，較熱年份占到90%。7月份的平均人體舒適度指數最高，30年中較熱年份占到90%，熱的年份占到10%，7月份年氣候舒適度較差。8月份在30年中都是較熱的年份。可以看出6月份明顯比7、8月氣候舒適性較好。這與綜合評判得出結論相同。另外，除8月份有略微下降趨勢外。在30年中宜昌市夏季人體舒適指數變化不明顯。

圖1 宜昌市1986—2015年夏季人體舒適指數年際變化Fig.1 Annual variation of summer human body comfort index in Yichang from 1986 to 2015

1.3.1 通徑分析法

氣溫、風速、濕度是對人體舒適度影響最為重要的因素，但這3種因素對人體舒適感的影響并不相同，從綜合評判法給予這三種要素的權重分配中也可以看出，其作用程度因時因地而異。所以采用通徑分析法對溫度、風速、濕度與ICHB之間的關系進行比較，分析出每一個影響因子對ICHB的直接影響以及一個影響因子通過另一個影響因子對ICHB產生的間接影響。進而，可以驗證綜合評判法給予氣溫、風速和濕度不同的權重系數是否適合。

通徑分析法(path analysis)[13]是簡單相關分析的延續，是在多元回歸的基礎上將相關系數加以分解，通過直接通徑、間接通徑系數分別表示某一變量對因變量的直接作用效果以及通過其他變量對因變量的間接作用效果[14]。通徑分析是把每一個自變量xi與因變量y的相關系數ri，分解成xi對y的直接通徑系數ki和xi通過其他變量xj對y的間接通徑系數rjikj[15]。

從表3得知，溫度與ICHB之間存在非常顯著的正相關關系，相關系數達到0.874。風速和濕度與ICHB呈負相關關系，相關系數分別為-0.524和-0.430。溫度的直接通徑系數最大，達到了0.838，說明溫度對ICHB的正影響最大。風速的直接通徑系數為負值，說明風速對ICHB產生負影響。風速通過溫度對ICHB的間接通徑系數也為負值，且絕對值非常小，表明風速通過溫度對ICHB的間接影響較小。溫度和濕度通過風速對ICHB的間接影響也非常小，所以宜昌市風速對人體舒適度指數的間接影響非常小，對人體舒適度的直接影響則為負作用。濕度與ICHB的直接通徑系數非常小，而濕度通過溫度對ICHB的間接影響的絕對值可以達到0.419 8，說明濕度對ICHB的負影響是通過溫度間接產生的，而對ICHB的直接影響較小。3個影響要素中，溫度直接影響ICHB，且主要為正作用；濕度則通過溫度間接影響ICHB；而風速直接影響ICHB為負作用，通過溫度對ICHB的間接影響較小。這與綜合評判法一樣，都是溫度對人體舒適度的影響最大。

表3 人體舒適度指數與溫度、風速和濕度的通徑系數Table 3 Path coefficient of ICHB with temperature, wind speed and humidity

從表3中看出,風速與溫度和濕度的間接影響較小，且直接影響為負值,所以探討不考慮風速情況下溫度和濕度與人體舒適度的通徑系數。從表4中可以看出,溫度和濕度與ICHB的相關系數與表3相同。溫度的直接通徑為0.887，說明不考慮風速情況下溫度對ICHB直接正影響有所提高。濕度的直接通徑系數依然為0.011,濕度通過溫度對ICHB間接通徑系數為-0.440 4，比表3也有所提高。可以看出在不考慮風速情況下，溫度、濕度與ICHB的通徑系數與在考慮風速情況下的通徑系數變化不大。而且,在表3中宜昌市風速對ICHB的影響為負作用，所以宜昌市風速可以看做不是ICHB的影響因素。

表4 人體舒適度指數與溫度和濕度的通徑系數Table 4 Path coefficient of ICHB with temperature and humidity

1.3.2 宜昌市夏季較熱天數

夏季是人們出行的高峰期，同時也是人體對舒適度最為敏感的季節。分析出夏季較熱的天數可以給公眾提供具體參考的信息。

圖2給出了宜昌市夏季人體感覺較熱(舒適度等級為7級) 天數的時間序列。可以看出，在1986—2015年，宜昌市夏季較熱天數為明顯的上下波動變化而無明顯的上升和下降趨勢。6、7和8月份平均較熱天數分別為18 d、19 d和21 d。6月份較熱天數≥15 d的年份占到83%，較熱天數≥20 d的年份占到33%，較熱天數≥25 d的年份占到6%。其中2002年較熱天數為30年來的最高值，高達26 d，2015年較熱天數為30年以來的最低值，只有5 d。 7月份平均較熱天數在1990和2013年是最低值為10 d，而在1995—2010年平均較熱天數基本保持在20 d左右，2008年較熱天數最高達到了29 d，其中較熱天數≥15 d的年份占到95%，較熱天數≥20 d的年份占到37%，較熱天數≥25 d的年份占到13%。8月份較熱天數上下波動變化較大。其中較熱天數≥15 d的年份占到83%，較熱天數≥20 d的年份占到70%，較熱天數≥25 d的年份占到33%。其中2000年較熱天數是最高值，高達29 d，2003年平均較熱天數為最低值，有10 d。通過分析可以看出，8月份的較熱天數是最多的，平均較熱天數比7月份多2 d，比6月份多3 d，而且較熱天數≥25 d年份比率也最高，其次是7月份，最后是6月份。

圖2 1986—2015年夏季宜昌市人體感覺較熱的天數Fig.2 The number of days when the body feels hotter in summer in Yichang from 1986 to 2015

3 結論與討論

本文分別采用了模糊評判和人體舒適度指數對宜昌市夏季舒適度情況做了分析。模糊評判法不僅可以以氣溫、風速、相對濕度為單因素的舒適度評判，還可以進行綜合評判，這就可以從不同氣象因素以及綜合要素來分析各地區的舒適度等級分布情況[16]。人體舒適度指數的公式法能得出人體舒適度指數值，需要通過通徑分析法來評價各個因子對舒適度的影響程度。模糊評判法中各因素對人體舒適度的影響地位并不相同，氣溫是首要因素，其次才是風速和濕度。人體舒適指數雖然無法直接得出各個因子的影響程度，但通過通徑分析法也得出氣溫對人體舒適度的影響最大，濕度通過溫度對人體舒適指數的影響也很大。

兩種方法計算結果略有差異。模糊評判法得出宜昌市的不舒適性主要是氣溫的影響，其次是風速、最后是濕度。人體舒適度指數模型也認為氣溫對人體舒適度的影響較大，但濕度通過溫度對人體舒適度的影響要高于風速通過溫度對人體舒適度的影響。另外，模糊評判法得出6月份的舒適性最好，這和人體舒適度指數計算模型的結論相同。區別在于7月份和8月份，模糊評判法得出8月份的舒適性要高于7月份。而人體舒適度指數得出8月份的平均較熱天數較多，比7月份多2 d，較熱天數≥25 d年份的比率也比7月份高，得出8月份的舒適性較差。

兩種方法雖略有差異，但結論基本一致。6月份，宜昌市氣候很舒適、舒適以及較舒適之和達到了0.74以上。平均人體舒適度指數是72，平均較熱天數為18 d，較熱天數≥25 d年份的比率為6%，宜昌市6月份氣候還是較適宜的。7月份平均氣溫和平均相對濕度較高，很舒適、舒適及較舒適之和為0.587，平均人體舒適度指數為76，平均較熱天數有19 d，較熱天數≥25 d年份的比率為13%，氣候舒適性比6月份差。8月份平均氣溫較7月份略有下降，很舒適，舒適和較舒適之和也比7月份有提升為0.626。平均人體舒適度指數為75，平均較熱天數為21 d，較熱天數≥25 d年份的比率為33%，這是3個月中最高的。綜合來說宜昌市早夏的氣候是較宜人的，適合人們出行旅游。

此外，雖然溫度、風速和相對濕度對人體影響較大，但其他氣象要素比如氣壓、日照、降水等對人體舒適度也有影響。所以，氣候舒適度模型有待進一步研究。