濟源市人居環境氣候適宜性評價

劉 恒 胡玉梅 張鵬飛 馮瀟瀟 衛 科 盧 彬

（濟源市氣象局 河南濟源 459000）

隨著城市化進程不斷推進和人們對生活水平質量的追求越來越高，城市的宜居性受到廣泛關注。氣象條件是構成城市宜居性的一個主要因素，對城市規劃建設有著十分重要的影響[1]。如何評價一個城市的宜居水平，以及科學的評價結果將為宜居城市建設提供明確的發展方向和建設目標[1-4]。濟源市地處河南西北部，南臨黃河，北依太行，屬暖溫帶季風氣候，四季分明氣候溫和，旅游資源豐富，先后榮獲國家級森林城市、國家級園林城市、中國優秀旅游城市等榮譽。隨著濟源產城融合示范區的成立，濟源迎來城市發展的新篇章，建設產城融合、城鄉一體、旅游富民的生態宜居城市成為未來城市發展建設的核心任務。本研究從氣候環境條件的角度著手，選取指標因子對城市的宜居性進行對比評價分析，旨在建立城市氣候環境宜居性評價體系，為濟源市宜居城市的建設提供參考。文中選用人體舒適度、溫濕指數、風效指數等與生產生活較為密切的氣候環境因子作為評價體系的一級指標。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文章選用濟源市國家氣象觀測站（站號53978）1969—2019年逐日/月平均氣溫、日/月平均風速、日/月平均相對濕度、日/月日照時數等常規氣象要素長序列數據，計算之前的逐日氣象數據，進行質量控制，對某日出現的氣象要素缺測值使用 1981—2010年的氣候平均數據代替。數據經過質量控制準確可靠。季節劃分以12月—次年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

1.2 研究方法

氣候由多個氣象要素組成，各要素共同作用形成影響人體感受的大環境，本研究使用溫度、濕度、風、日照等4個環境對人體影響最密切的氣象要素的不同模式組合，采用溫濕指數、風效指數及人體舒適度指數等被廣泛應用的評價因子為主要指標，對近60年濟源市氣候適宜性進行定量分析評價，利用一元線性方程進行趨勢分析，并對趨勢系數進行顯著性檢驗。

1.2.1 溫濕指數和風效指數

溫濕指數是指通過濕度與溫度的綜合作用來反映人體與周圍環境之間的熱量交換，其物理意義是濕度訂正以后的溫度[2]，計算公式如下：

式中THI 表示某一時段內的溫濕指數，計算時保留一位小數。T 為該時段內的平均氣溫（℃），RH 為該時段內的平均相對濕度（%）。

風效指數是描述人體對風、溫度與日照綜合感受的指數，是氣候舒適度評價重要指標之一[3]，計算公式如下：

式中K 表示某一時段內的風效指數，計算時取整數。V 為風速（m/s），T 為溫度（℃），S 為日照時數（h/d）。溫濕指數與風效指數計算時氣溫、相對濕度、風速使用月平均值，日照時數使用日均值，其分級及人體感覺程度見表1。

1.2.2 人體舒適度指數

人體舒適度指數是建立在氣象要素預報的基礎上,較好地反映多數人群的身體感受綜合氣象指標或參數。它在城市環境氣象服務中具有重要的地位，該指數體現了人體對空氣溫度、濕度等要素的感受，能反映氣溫、濕度、風速等的綜合作用。具體計算方法如公式（3）所示[7]：

通過日平均氣溫和日平均相對濕度，以及月平均氣溫和月平均相對濕度四個指標，可以求得日與月的舒適指數，按照標準，將人體舒適度指數劃分為9 個等級，如表2所示：

表1 溫濕指數、風效指數級別劃分

表2 人體舒適度指數劃分

2 結果與分析

2.1 溫濕指數與風效指數月分布

根據溫濕指數和風效指數的計算公式得出濟源市1—12月的溫濕指數和風效指數值見圖1：濟源市全年溫濕指數和風效指數均呈“U”形分布，且冬季均為最小值，春秋季逐漸增大，到夏季達到最大值。

各月溫濕指數與風效指數的氣候傾向率如表3 所示，隨著近年來氣溫不斷升高，各月溫濕指數、風效指數均呈明顯的上升趨勢（6月風效指數呈下降趨勢）。溫濕指數中2月和3月變幅最大，每10年分別升高0.60 和0.64 ，6—8月指數升高幅度較小，上升范圍在每10年0.06 ~0.11 ，各月指數等級60年來均發生過轉變。風效指數中11月到次年4月變化較大，上升范圍在14.10 ~21.78 。1—2月由冷涼風轉向涼風，3月和12月由涼風轉向舒適風，4月由舒適風轉向暖風，6—8月變化幅度最小，等級由暖風轉向暖熱風，各月舒適度均提升一個等級。

表3 溫濕指數、風效指數各月氣候傾向率

按照表1 的分級指標確定出各月平均溫濕指數和風效指數對應的等級和感覺程度，見表4。就溫濕指數而言，每年4—6月，9—10月是舒適月份，其中4月和10月溫濕指數等級為a，人體感覺清涼，舒適；5月和9月等級為A，人體感覺為暖，舒適；6月等級為B，人體感覺偏熱，較舒適。1月等級為d，人體感覺極冷，極不舒適；2月和12月等級為c，人體感覺寒冷，不舒適；7—8月濟源氣溫較高，且為雨季，濕度較大，感覺悶熱，不舒適的月份。就風效指數而言，3—4月以及9—10月等級為N，人體感覺舒適；冬季（12—2月）等級為a，人體感覺涼；5月和9月等級為A，人體感覺暖；6—8月等級為B，人體感覺暖熱。

綜合溫濕指數和風效指數對應的感覺程度可以確定出氣候舒適程度（表4）。可知，在某個月份中，溫濕指數和風效指數必須為N、a、A 或B 時該月方可稱之為氣候舒適月[8]。因此，濟源市氣候舒適月為4—6月以及9—10月，該時段內即為氣候舒適期，其中4月和10月最舒適，而1月舒適度最低。

表4 濟源市各月平均氣候舒適度

2.2 人體舒適度指數年變化與季變化

根據人體舒適度指標的計算公式，利用濟源市1960—2019年平均氣象資料計算出濟源市年平均和各季節的舒適度指數，其年際變化曲線如圖2 所示：近60年濟源市年平均舒適度指數均在51 ~60 的范圍內波動，舒適等級均為涼爽（-1 級），歷年平均值為54.4，大部分人感覺較舒適，適合旅游。且近60年來濟源市年舒適度指數呈明顯的上升趨勢，增幅為0.47 /10 a，表明濟源市人體感覺向溫暖發展。其中舒適度指數最大值出現在2017年（56.6），最小的出現在1964年（51.8）。

從各季節舒適度指數的歷年變化可以看出春、夏、秋冬4 個季節的舒適度指數變化范圍分別是：51 ~58 ，71~75 ，53 ~58 ，29 ~40 。比較可知，夏季舒適度指數最高，表示天氣炎熱，人體感覺偏熱的天數多；冬季舒適度指數最低，表示人體感覺偏冷的天數多；春秋兩季的舒適度指數相近，且大小適中，表示人體感覺舒適的天數較多。四季的時間序列均變化特征基本一致，有較明顯的上升趨勢，與年平均舒適度指數變化趨勢相似。其中冬季上升趨勢最為明顯，春季次之，線性趨勢分別約為0.63 /10 a和0.62 /10 a。

2.3 人體舒適度指數月分布

從歷年各月平均舒適度指數分布情況來看（表5），濟源市全年舒適期較長，4—10月份為較舒適期（-1~1 級），無寒冷月份（-4 級）和偏熱以上月份（2~4 級）。

1月歷年平均（34.0）和2月歷年平均（37.6）舒適等級為偏冷（-3 級），其中近60年1月舒適度等級均為偏冷（-3 級），舒適度指數值最小的出現在1969年（26.9），最大的出現在2014年（39.4）。近60年2月舒適度等級中共有16年為偏涼（-2 級），舒適度指數值最大的出現在2004年（44.5），共44年等級為偏冷，指數值最小的出現在1964年（24.9），未出現寒冷（-4 級）等級。3月歷年平均（45.3）舒適等級為偏涼（-2 級），近60年中有2年為涼爽（-1級），分別出現在2014年（50.7）和2019年（50.6），1991年（40.0）為偏冷（-3 級）。4月歷年平均（54.8）舒適等級為涼爽（-1 級），舒適度指數值最大出現在 2016年（58.6），最小出現在1965年（50.5）。5月（63.1）和6月（69.9）歷年平均舒適等級為最舒適（0 級），其中1991年5月（59.9）為涼爽（-1 級），其余年份均為最舒適。6月有20年舒適等級為溫暖（1 級），舒適指數值最大的出現在2005年（71.78 ），有40年等級為最舒適，舒適指數值最小的出現在1971年（67.6）。7月（73.9）和8月（72.5）歷年平均舒適等級為溫暖（1 級），其中7月近60年舒適等級中共有11年為偏熱（2 級）。8月近60年舒適等級中共有2年為偏熱。其余為溫暖（1 級）。9月（64.7）歷年舒適等級為最舒適（0 級），舒適指數值最大的出現在1999年（67.9），最小的出現在2011年（61.5）。10月（55.8）舒適等級為涼爽（-1 級）。舒適指數值最大的出現在2006年（59.9），最小的出現在1968年（52 ）。11月（44.9）歷年平均舒適等級為偏涼（-2 級），其中1967年11月（39.2）為偏冷（-3級），其余年份為偏涼。12月歷年平均（36.6）舒適等級為偏冷（-3 級），歷年中有4年為偏冷（-2 級），其余為偏冷。

表5 各月舒適度指數和等級分布情況

2.4 舒適天數分布

使用公式（3）計算濟源市1960—2019年逐日人體舒適度指數，并按照表5 中的舒適度指數等級劃分，統計每個等級出現天數占總天數的比例，如圖1 和圖4 所示。濟源市處于最舒適（0 級）的天數最多，占比23.14 %；處于涼爽到暖和（-1~1 級）的天數占比53.60 %；多數人感覺較冷（-4~-2 級）的天數占比41.38 %，需要做好保暖措施，其中有0.09 %的天氣為寒冷到使人有凍傷危險（-4 級）；多數人感覺較熱（2~4 級）的天數占比5.02 %，其中未出現酷熱使人有熱調節功能障礙的天氣（I級），有4.57 %的炎熱天氣使多數人感覺不舒適，有中暑危險。

近60年來濟源市各舒適等級天數月平均分布情況如表6 所示。由此可以看出，濟源市偏冷天數只要出現在冬季（12—1月），偏冷天數最多的是1月和12月，分別達到了28.3 天和24.2 天。只有1月和2月分別有0.1 天和0.2 天的寒冷天數，其余月份無寒冷天數；偏涼天數最多的是春季3月和秋季11月，分別為19.2 天和19.3 天；涼爽天數最多的是春季4月和秋季10月，分別為19.2 天和21.9 天；最舒適天數出現最多的是春季5月和秋季9月，分別達到了22.4天和22.8 天，11月到2月無最舒適天數；溫暖天數主要出現在夏季（6—8月）。此外只有9月有0.1 天的溫暖天數，偏熱及炎熱天數集中在7月和8月，分別為10.5 天和6.6天，全年未出現酷熱天數。

表6 各月舒適天數分布表（單位：天）

結合近60年濟源市逐日最舒適日（0 級）、偏涼不舒適日及以上（≤ -2 級），偏熱不舒適日及以上（≥ +2 級）出現的頻次累積可知（圖略），最舒適日出現頻次較高的在4月下旬到7月中旬，以及8月中旬到10月上旬，其中以5月和9月最舒適日出現頻次最高，平均頻次分別為43.3 次和45.6 次，最高頻次為5月19日和5月28日的56 次。偏冷不舒適日出現頻次較高的時段為11月下旬到3月中旬，偏涼不舒適日出現頻次較高的時段為2月中旬到4月上旬，以及10月下旬到12月上旬，偏冷日和偏涼日出現的最高頻次分別為1月15日和1月18日的59 次，以及11月20日的50 次。偏熱不舒適日出現頻次較高的時段集中在6月下旬到8月中旬，其中7月頻次最高，平均頻次為18.7 次，最高頻次為7月24日和7月30日的29 次，炎熱日集中出現在7月中旬到8月上旬，其余月份無炎熱日。最高頻次為7月24日和8月3日的5 次。

為方便分析，將-1~1 級的天數合起來作為人體舒適天數，將-4~-1 級的天數合起來作為冷不舒適天數，2~4 級的天數合起來作為熱不舒適天數。從各舒適等級天數的年變化情況看（圖4），近60年濟源市受氣候變暖影響，導致年舒適天數呈現明顯的上升趨勢，每10年上升約2.8 天；年熱不舒適天數變化趨勢與年舒適天數趨勢一致，增幅約為每10年1.2 天；年冷不舒適天數變化趨勢與年熱不舒適天數變化趨勢相反，每10年減少約4.0 天，同時，這種變化趨勢是否會持續值得關注。

3 總結與思考

（1）采用溫濕指數和風效指數綜合評價濟源市氣候舒適度，分析發現濟源市氣候舒適期為4—6月及9—10月，溫濕指數I值介于62.9～76.5之間，風效指數K介于-276 ～-33 之間。

（2）以人體舒適度指數評價濟源市氣候舒適度發現，4—10月份為較舒適期（-1～1 級），全年無寒冷月份（-4級）和偏熱級以上月份（2～4 級）。月平均人體舒適度指數介于34.0～73.9 之間。

（3）濟源市全年處于涼爽到緩和等級（-1～1 級）的天數占比53.60%，其中處于最舒適等級（0 級）的天數占比23.14%；處于較冷及以上等級（-4～-2 級）的天數占比41.38%；處于較熱及以上等級（2～4 級）的天數占比5.02%。

（4）近60年來，濟源市年舒適天數呈明顯上升趨勢，每10年上升約2.8 天；年熱不舒適天數每10年上升1.2 天；年冷不舒適天數每10年減少4.0 天。