近60年廬山旅游氣候舒適度變化特征分析

黎景銳, 羅懷良,2*, 嚴椰籬, 肖 賢

(1. 四川師范大學 地理與資源科學學院, 四川 成都 610101; 2. 四川師范大學 西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室, 四川 成都 610066)

在全球變暖背景下,氣候變化對旅游業的影響機制及效應受到廣泛關注[1].旅游氣候舒適度是建立在人體與環境之間熱交換原理的基礎上,從氣象學和生物學角度評價人類在不同氣候條件下舒適感的一項指標[2].開展旅游氣候舒適度評價對于科學指導旅游出行、客觀評價城市人居環境等都具有重要的理論價值和實踐意義[3].氣候舒適度研究已有近百年的歷史[4].在國外,早期通常以儀器直接觀測結果作為評價標準,如空氣溫度、濕球溫度和卡他度等[5].

20世紀20年代以后,相關研究進入經驗模型時代.經驗模型是以人的主觀感受作為評價依據,利用經驗公式或統計學方法構建的人體舒適度模型,典型的有有效溫度指數(ET)[6]、風寒指數(WCI)[7]、溫濕指數(THI)[8]和實感溫度(AT)[9].20 世紀60 年代,研究進入機理模型時代.機理模型是基于人體熱平衡而提出的一種模型,典型的有預測平均投票數(PMV)[10]、生理等效溫度(PET)[11]和通用熱氣候指數(UTCI)[12].

在我國,氣候舒適度研究起步于20 世紀80 年代中期.研究方法主要采用風濕指數、風效指數、風寒指數和著衣指數等,研究內容包括不同空間尺度上氣候舒適度的空間分布及時間變化特征[3].在大空間尺度方面,孔欽欽等[13]利用UTCI模型研究了中國氣候舒適度空間格局,認為氣候舒適度除在青藏高原呈環島狀分布外,在我國均呈緯向分布;馬麗君等[1]、王勝等[14]和曹云等[15]分別對陜西省、安徽省和京津冀地區的氣候舒適度進行了綜合區劃與評價.在小尺度空間方面,吳菲等[16]、吳芳芳等[17]利用溫濕指數對城市廣場、綠地和河岸帶等區域進行了氣候舒適度的細化研究.此外,還有相關學者利用溫濕指數、風效指數等指數模型,展開氣候舒適度對景區游客數量的影響研究[18-19].廬山作為四大避暑勝地之一,在全球變暖的大背景下,未來必將迎來更多游客的關注和青睞.本文對廬山旅游氣候舒適度進行分析和評價,以期為未來旅游發展戰略提供理論依據,也為旅游者選擇較為舒適的旅游時期提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況廬山位于江西省九江市,整個山體南北長29 km,東西寬約16 km,山體面積302 km2,海拔25～1 473.8 m,介于東經115°52′～116°8′,北緯29°26′～29°41′之間.多年平均最高氣溫32 ℃,最低氣溫-16.8 ℃,年平均氣溫11.4 ℃.廬山雨量豐沛,年降雨量1 917 mm,年平均有雨日達168 d,廬山云霧較多,全年平均有霧日達192 d.1996年廬山被世界遺產委員會列入《世界遺產名錄》,擁有中國十大名山、四大避暑勝地等榮譽稱號,是首批全國文明風景旅游區示范點.主要名勝古跡有觀音橋、白鹿洞、周瑜點將臺、愛蓮池、三疊泉、仙人洞、含鄱口、美廬、會址等.為更好地對廬山旅游進行管理和規劃,2016年5月設立廬山市,自設市以來,旅游經濟主要指標保持高位高速增長,2019年接待游客6 180萬人次,較上一年增長23.3%,旅游總收入400.17億元,增長16.8%.

1.2 數據本文數據來自國家氣象數據網(http://data.cma.cn/),包括《中國地面氣候資料年值數據集》《中國地面氣候資料月值數據集》和《中國地面氣候資料日值數據集(V3.0) 》3個主要數據集.選取廬山氣象站(29°25′N,115°59′E)1960—2019年逐年、逐月及逐日平均氣溫、風速、相對濕度和日照時數等氣象觀測數據,為氣候舒適度指數的計算提供數據基礎.

1.3 方法

1.3.1Mann-Kendall突變檢驗 Mann-Kenddall突變檢驗[20]是一種非參數統計檢驗方法,最初由曼(H.B.Mann)和肯德爾(M.G.Kendall)提出,故稱曼-肯德爾(Mann-Kendall)法.該方法可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變,如果存在,可確定突變發生的時間,具體計算過程由Matlab軟件實現.

1.3.2氣候舒適度指數模型 氣候是否舒適是根據一定條件下皮膚的溫度、出汗量、熱感和人體調節系統所承受的負荷來確定的,主要受最高 (最低) 氣溫、相對濕度、風力大小和日照4個因素的制約[1].在大量的舒適度評價的研究中,形成了很多種評價方法,在前人研究的基礎上,選取運用較為廣泛的溫濕指數、風效指數、著衣指數以及綜合舒適度指數對廬山旅游氣候舒適度進行研究.

1) 溫濕指數(temperature-humidity index,THI)[8,15],是通過溫度和相對濕度的組合,反映人體與周圍環境的熱量交換,是氣候舒適度的重要指標.計算如下：

ITH=(1.8×T+32)-0.55×

(1-RH)×(1.8×T-26)，

(1)

式中,T為溫度(℃),RH為相對濕度(%).

2) 風效指數(wind-effect index,WEI)[21],是指風速和氣溫對裸露人體熱量散失的影響,既考慮體表的散熱,也考慮了太陽輻射后人體的增熱,反映了體表與周圍環境之間的熱交換,即皮膚溫度為33 ℃時,體表單位面積的熱交換量(正值為吸熱,負值為散熱).計算式如下：

(33-T)+8.55×S，

(2)

式中,V為風速(m/s),T為溫度(℃),S為日照時數(h/d).

3) 著衣指數(index of cloth loading,ICL)[22],綜合了溫度、太陽輻射、人體代謝和風速等多種因素,人們可以根據著衣指數的大小來選擇不同的衣服而改變氣候的不舒適性.計算式如下：

ICL=

(3)

式中,T為攝氏氣溫(℃);H代表人體代謝率的75%,文中取輕活動量下的代謝率,此時H=87 W/m2;A表示人體對太陽輻射的吸收情況,文中取0.06;R表示垂直陽光的單位面積土地所接收的太陽輻射(W/m2),一般取太陽常數R=1 367 W/m2;α是太陽高度角,設緯度為β,夏季各地太陽高度角為90-β+23°26′,冬季時各地太陽高度角為90-β-23°26′,春秋各地太陽高度角為90-β;V為風速(m/s).

4) 綜合舒適度指數(Comprehensive Comfort Index,CCI)，綜合舒適指數以溫濕指數、風效指數和著衣指數為基礎,采用專家打分和層次分析法確定各指數的權重,建立氣候舒適性綜合評價模型,能更準確、更方便地進行統計分析,本文借用馬麗君等[23]的計算公式：

ICC=0.6×XT+0.3XW+0.1×XI，

(4)

式中,XT、XW和XI分別為溫濕指數、風效指數和著衣指數的分級賦值,0.6、0.3、0.1為各指數權重系數.

根據人們戶外感受相對程度,在馬麗君等[23]的評價指標體系基礎上,將3個指數分為5個等級,1～5級分別對應：舒適、較舒適、較不舒適、不舒適、極不舒適.

賦值為1、2、3、4、5,其數值越接近1,氣候舒適程度就越高.其中1≤I≤2 時為舒適等級,2

表 1 溫濕指數、風效指數和著衣指數的分級標準及賦值

2 廬山近60年氣候變化特征

2.1 廬山近60年各氣候要素變化趨勢氣候變化會直接影響旅游氣候舒適度,根據三大舒適度指數所涉及的主要氣候要素,筆者選取了廬山1960—2019年溫度、風速、相對濕度和日照4個要素,采用5 a滑動平均、線性擬合進行分析,結果如圖1所示.

由圖1(a)氣溫變化可知,廬山近60年年平均氣溫總體呈明顯的波動性上升趨勢,平均氣溫為11.8 ℃;由線性擬合趨勢線可知,氣候傾向率為0.213 ℃/(Da),年均溫共上升約1.278 ℃.由圖1(b)風速變化可知,年平均風速呈明顯下降趨勢,由1960年的5.9 m/s降為2019年的3.5 m/s,共下降2.4 m/s.由圖1(c)相對濕度變化可知,整體較為穩定,相對濕度穩定在78%左右,2000年以來波動較大,2010年以來有所增加.由圖1(d)日照變化可知,整體呈減少趨勢,日照時數由5.5 h/d減少為4.3 h/d,共減少1.2 h/d.

2.2 各氣候要素的Mann-Kendall突變檢驗采用Mann-Kendall突變檢驗,通過Matlab軟件,分別繪制UF和UB曲線圖,結果如圖2所示.

如果UF和UB曲線交點在置信水平線(圖2中虛線,采用置信水平P=0.05,置信水平線為±1.96)之間,那么交點對應的時刻便是突變開始的時間.若UF值大于0,則表明序列呈上升趨勢,小于0則表明呈下降趨勢.由圖2(a)氣溫可知,從UF曲線可以看出,1977年以氣溫略微下降,1977年以后開始上升,2004年以后,UF值遠超臨界值U0.05=±1.96,氣溫顯著上升.從UF和UB曲線的交點可以看出,2001年出現了突變,且通過0.05置信度水平.由圖2(b)風速可知,UF曲線呈明顯下降趨勢,1970年以后,UF值遠超臨界值U0.05,風速開始顯著下降.突變點出現在1981年，但超過了0.05的置信度水平區間,故突變時間不明顯.由圖2(c)相對濕度可知,UF曲線1978年以前有小幅波動,1978年以后開始降低,沒有超過臨界值U0.05,下降不明顯,直到2004年超過臨界值U0.05,出現明顯的下降,2010年以后又明顯上升.UF和UB曲線共3個交點,表明出現了4次干濕交替.由圖2(d)日照可知,UF曲線1970年以前小幅上升,1970年以后開始下降,并在1982年超過臨界值U0.05,開始顯著下降.有兩個突變點,分別是1976年和1980年.

3 氣候舒適度變化特征分析

3.1 年際舒適天數變化特征首先,根據廬山1960—2019逐日氣象數據,計算三大舒適度指數.然后,根據表1分級標準進行賦值,得到逐日綜合舒適度.最后,得到各年份不同等級(舒適、較舒適、較不舒適、不舒適4個等級)的舒適天數.選取4個等級中具有代表性的舒適天數、不舒適天數以及舒適率(舒適天數占全年天數的比重)為對象進行分析,結果如圖3所示.

由圖3可知,從整體來看,舒適天數增加趨勢明顯(3.38 d/Da),不適天數減少明顯(-2.98 d/Da),舒適率有微弱上升趨勢(0.935%/Da).從波動范圍來看,舒適天數在102～171 d之間,不舒適天數在44～87 d之間,舒適率在27.73%～46.85%之間.從波動頻率來看,1983年以前3個指標的波動頻率均較1983年以后高,且波動范圍更大,說明1983年以來各舒適天數更為穩定.

圖 3 1960—2019年廬山舒適天數、不舒適天數以及舒適率的變化

Fig.3Thecomfortabledays,uncomfortabledaysandcomfortableratevariationinMountLufrom1960to2019

3.2 月際舒適天數變化特征氣候舒適性在月份上具有明顯的集中性,通過分析各月份舒適天數,可以確定一年內的舒適期分布.筆者將廬山近60年分為6個年代,即每10年為一個年代,利用10年的平均值計算各月的舒適度天數以及綜合舒適度指數,以期分析各年代之間的變化關系.將各月份達到舒適和較舒適兩個舒適等級的天數疊加,生成舒適天數的柱狀堆積圖,并結合各月綜合舒適度指數,得到月舒適天數變化,如圖4所示.

由圖4可知,從各月份舒適天數的分布來看,6個年代的5月、6月和9月舒適天數均>23 d,是廬山最佳旅游舒適期;4月、7月、8月和10月舒適和較舒適天數也在15 d以上,是次旅游舒適期;3月和11月是舒適與不舒適月份的過渡期;12月至次年2月舒適天數均為0,為廬山氣候的不舒適期.從綜合舒適度指數來看,6個年代均呈“W”型,即存在春夏、夏秋兩種類型的舒適期.從各年代的變化來看,3月的舒適天數經歷了從20世紀60年代到90年代的減少,再從90年代以后增加的過程,此外,由于近年來氣溫的持續升高,使7月和8月的舒適等級有從舒適等級向較舒適等級遷移的趨勢.

3.3 近60年(1960—2019)舒適期變化特征舒適期是指舒適度從穩定進入較舒適等級到穩定結束較舒適等級之間的時期.將1960—2019共60年以每10年為間隔分為6個年代,以方便分析其年代變化特征,利用每10年各氣象要素的均值,計算得到全年的舒適期,結果中出現兩個明顯的舒適期,如表2所示.

表 2 1960—2019年不同年代間舒適期的變化特征

注：SD為start date(舒適期開始日期)，ED為end date(舒適期結束日期)

由表2可知,從舒適期變化來看,近10年(2010—2019)與近60年(1960—2019)均值相比,第一期的舒適開始日期與結束日期均提前,開始日期從4月18日提前到4月16日(2 d左右),結束日期從7月3日提前到6月28日(5 d左右);第二期的舒適開始日期與結束日期均明顯延后,開始日期從8月17日延后到8月24日(7 d左右),結束日期從10月16日延后到10月24日(8 d左右).從總天數和舒適率來看,都有明顯增加趨勢,其中第一個年代(1960—1969)總天數和舒適率均最低,第四個年代(1990—1999)總天數和舒適率均最高.從60年均值來看,全年共有2個舒適期,第一期大致從4月8日至7月3日,占73 d,第二期大致從8月17日至10月16日,占61 d;全年舒適天數在137 d左右,舒適率約為37.5%.

4 結果與討論

基于近60年廬山氣象數據,在分析氣候變化的基礎上,以溫濕指數、風效指數、著衣指數和綜合舒適度指數為評價指標,來探討廬山旅游氣候舒適度變化特征,得到結論如下.

1) 氣候分析顯示,近60年廬山氣候變化顯著,氣溫上升趨勢明顯,氣候傾向率為0.213 ℃/Da;年均溫60年累計上升約1.278 ℃,年平均風速共下降2.4 m/s,相對濕度穩定在78%左右,日照時數共減少1.2 h/d.

2) Mann-Kendall突變檢驗顯示,除氣溫突變點在2001年外,平均風速、日照時數和相對濕度突變點均集中在20世紀80年代.其中,2004年以后氣溫顯著上升,1970年以后風速開始顯著下降,相對濕度從1978年開始分別出現了4次干濕交替,1982年以后日照時數開始顯著下降.

3) 從年際舒適天數變化特征來看,舒適天數增加趨勢明顯(3.38 d/Da),不適天數減少明顯(-2.98 d/Da),舒適率有微弱上升趨勢(0.935%/Da).廬山旅游舒適日數在年際間呈增多的趨勢,對該地區旅游業發展是一個有利因素.

4) 從月際舒適天數變化特征看,廬山最佳旅游舒適期為5月、6月和9月(舒適天數均>23 d),廬山旅游氣候的不舒適期為12月至次年2月(適天數均為0);近60年均值顯示,舒適期為4月8日至7月3日和8月17日至10月16日,全年舒適天數在137 d左右,舒適率約為37.5%.

在全球氣溫變暖的背景下,廬山旅游氣候舒適度并未降低，而是不斷提高,因此,未來該地區避暑旅游還將成為熱點,如何發展避暑旅游項目,開發旅游氣候資源在未來研究中值得探討.舒適期的變長,會對當地經濟帶來有利影響,但如何應對游客增長對旅游服務設施和生態環境帶來的壓力等同樣值得注意.