基于不同氣象指數的舒適度評價方法＊

劉自牧 ，文 雯 ，袁 夢 ，3，黃 瑤

（1.四川省氣象服務中心，四川 成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；3.四川省農村經濟綜合信息中心，四川 成都 610072）

隨著社會各行業對氣象的依賴程度逐漸加深，人體氣象舒適度越來越受到國內外學者的廣泛關注，早期學者已對舒適度評價模型開展了較多研究，如溫濕指數、風效指數、CIHB 人體舒適度指數等，這些指標計算數據易于觀測、算法簡捷，成為現目前氣候舒適度評價的常用方法。但以往模型多基于經驗模型，氣象要素較少，無法與人體熱生理狀態高度吻合。進入21 世紀后，國際生物氣象學協會綜合了生理、醫學、氣象學多領域，制定出熱氣候指標（UTCI）。UTCI 特別突出了以往經驗模型沒有考慮的太陽輻射對體感溫度的影響[1]，本研究通過對比多個舒適度模型，以期揭示各舒適度指標的適用性，為今后康養旅游氣候資源的挖掘、電力預測等方面提供新的思路。

1 資料與方法

1.1 溫濕指數（THI）

溫濕指數為兩要素指數，是利用大氣溫度和相對濕度表征人體在氣象環境中身體的舒服程度，溫濕指數計算公式為：

式（1）中：I為溫濕指數；Rh為某一評價時段平均空氣相對濕度，%；T為某一評價時段平均溫度，℃。

1.2 風效指數（WEI）

風效指數為三要素指數，是根據風速、氣溫和日照時數得出的綜合指數，風效指數計算公式為：

式（2）中：K為風效指數，取整數；V為某一評價時段平均風速，m/s；T為某一評價時段平均溫度，℃；S為某一評價時段平均日照時數，h/d。

溫濕指數與風效指數對人體舒適度判定分級為5 級，標準如表1 所示。

表1 溫濕指數與風效指數舒適度分級標準

1.3 人體舒適度指數（CIHB）

人體舒適度指數是根據人體與大氣環境之間的熱交換而制定的指標，由溫度、濕度和風速構建的非線性經驗方程，計算公式為：

式（3）中：T為溫度，℃；Rh為相對濕度，%；V為風速，m/s。

人體舒適度指數分為9 級，標準如表2 所示。

1.4 熱氣候指數

熱氣候指數是國際生物氣象學協會考慮多種氣候類型建立的多要素評估模型，綜合了人體熱調節模型[2]和自適應穿衣模型[3]兩個模塊，是當前考慮因素較全面，具有一定普適性的人體舒適度指標。其計算較為復雜，Universal Thermal Climate Index 官網已給出計算程序，計算原理及其標準參考環境如圖1 所示。

熱氣候指數由溫度、相對濕度、風速、輻射溫度四個氣象要素進行計算。其中氣溫、風速、相對濕度可以通過氣象觀察數據直接獲得，輻射溫度的計算公式[4]為：

式（4）中：R為輻射強度，W·m-2·s-1。

表2 人體舒適度指數分級標準

圖1 通用熱氣候指數（UTCI）模型

現目前輻射強度的觀測數據較少，根據繆啟龍等[5]統計的西部山區晴天總輻射日總量及修訂方法推算得到。米易縣逐月晴天總輻射日總量如表3 所示。

國際生物氣象學協會給出的熱氣候評定標準分級如表4所示。

2 舒適度對比

為對比以上4 種氣象舒適度標準評價結果，本文選取位于四川省攀枝花市米易縣作為評價對象。米易縣位于青藏高原東南緣，四川省西南角，攀校花市東北部，安寧河與雅礱江交匯區。介于北緯 26°42′—27°10′，東經 101°44′—102°15′之間，米易縣屬于南亞熱帶為基帶的干熱河谷氣候，因其優越的氣候資源條件，快速成為氣候康養旅游的熱點城市。本文使用米易30 年歷史（1981—2010 年）氣象資料作為基礎數據。

表3 米易縣逐月晴天總輻射日總量（單位：J·cm-2·d-1）

表4 熱氣候指數舒適度分級標準

米易縣逐月溫濕指數計算結果如表5 所示，3—10 月均為舒適度最高的3 級；2 月、11 月為2 級，感覺程度為“冷”；1 月、12 月為1 級，感覺程度為“寒冷”。根據溫濕指數計算的米易氣候舒適度總體呈現出冬季偏冷，春夏秋季舒適度高的氣候特征。

米易縣逐月風效指數計算結果如表6 所示，3—10 月人體舒適度等級均為3 級，人體感覺程度“舒適”；11 月至次年2 月人體舒適度等級為2 級，人體感覺程度為“冷”。總體結論與溫濕指數一致，冬季偏冷，但沒有1 級“寒冷”，其余季節氣候舒適度高。

表 5 1981—2010 年米易各月溫濕指數及等級

表 6 1981—2010 年米易各月風效指數及等級

米易縣逐月人體舒適度（CIHB）計算結果如表7 所示，CIHB 舒適度等級共有9 級，較溫濕指數、風效指數的分級更為豐富。米易縣4—6 月、8—10 月為舒適度最高的0 級“舒適”，11 月至次年3 月舒適度等級為-1 級的“涼爽舒適”，7 月為1 級“溫暖舒適”。全年的舒適度等級均較好，表現為冬季略涼，夏季7 月略熱。

米易縣逐月熱氣候指數（UTCI）計算結果如表8 所示，熱氣候指數標準制定的舒適度分級較為嚴格，共有10 級。米易縣1—3 月、11—12 月舒適度等級為最高的0 級“舒適”，4 月、5 月、9 月、10 月舒適度等級為 1 級“暖”，6—8 月舒適度等級為2 級“熱”。

表 8 1981—2010 年米易各月熱氣候指數及等級

根據熱氣候指數計算的米易人體舒適度表現為冬季舒適，春秋季溫暖，夏季偏熱。計算結果與溫濕指數、風效指數和人體舒適度指數的結果存在一定差異。通過分析米易30 年氣候特征，不難發現，米易縣冬季平均氣溫達13 ℃，冬季平均日最高氣溫22.3 ℃，且冬季陽光充沛，日照百分率達到66.6%，平均日照時數為7.2 h，這也正好與米易縣打造的冬季陽光康養旅游的方向吻合。

通過對比4 種不同氣象指數的判定，結果出現了差異性的結論，主要由于各指數所使用的氣象要素和判定方法不同。溫濕指數使用氣溫和濕度，風效指數使用溫度、風速和日照時數，人體舒適度指數使用溫度、濕度和風速，熱氣候指數使用溫度、濕度、風速和輻射溫度進行判定。熱氣候指數即考慮了大氣的熱量直接來源——總輻射強度，又加入了正常人體對于氣溫變化的熱生理狀態。因此更加接近實際的舒適度感覺。

3 結論與探討

基于4 種氣象指數對舒適度進行評價，其結果各有優劣。

溫濕指數、風效指數的算法簡捷，容易理解，所需氣象要素易于觀測，是目前使用較為廣泛的舒適度評判指數，基于經驗模型建立，適用性及準確性存在一定局限。

人體舒適度指數（CIHB）對舒適度分級更細，由3 個人體感知最明顯的氣象要素建立，數據易于獲取，能夠較好地反映人體對氣象的感知程度。

熱氣候指數（IUTC）是由氣溫、濕度、風速、輻射溫度4 個氣象要素組成的算法，對舒適度的分級最細，共10級，通過各指數對米易縣人體舒適度評價對比結果，熱氣候指數對高舒適度氣候的判定更加苛刻，但更為接近實際的人體感覺程度，是一種考慮較全面的通用氣候指數。

熱氣候指數的算法雖較復雜，但國際生物氣象學協會已經公開其計算程序，另外，輻射溫度作為熱氣候指數中的關鍵性氣象要素，其觀測資料稀缺，為該指數的業務推廣造成阻礙，根據總輻射變化規律，通過修訂相鄰日射站點輻射量得到米易縣輻射強度，為計算熱氣候指數提供新的途徑，可進一步嘗試將熱氣候指數應用于電力負荷預測、氣候旅游資源挖掘等專業氣象服務領域。