兩種舒適度指數在海南島氣候舒適度評價中的應用及對比分析

林紹伍 張明潔 張京紅 張亞杰 楊靜

（1.海南省氣候中心 海南海口 570203；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室 海南海口 570203）

利用舒適度指數作為表征量，通過研究時空變化來評估其對人體的影響，可以較好地反映人體對周圍環境的適應情況和某地區居住環境的適宜性。我國在20世紀80年代開始氣候舒適度研究，以借鑒國外模型為主，進行應用性定量評價[1-2]；也有一些將影響本地人體舒適感的多項氣象因子進行訂正及累加，將本地的人體舒適度指數進行計算與等級劃分，評估本地氣候條件對人體健康的影響[3-7]。例如，孫銀川等[8]分析寧夏六盤山區各地夏季不同舒適度等級日數分布特征及氣溫、相對濕度和風速對體感溫度的影響。林穎儀等[9]以海南島為研究區，在基于“黃金分割率”的體感溫度方法計算人體舒適度的基礎上，采用旋轉經驗正交分解法對海南島季節人體舒適度進行綜合區劃，獲取海南島氣候康養的最佳舒適區域。隨著研究的進一步深入，出現了一些較為系統的組合分析模型[10-14]。如聶云等[15]結合旅游實際，綜合溫濕指數、風寒指數和著衣指數構建了貴州梵凈山旅游氣候舒適度指數，為梵凈山山岳型旅游氣象預報與服務工作提供了支撐。劉海洋等[16]基于溫濕指數和風寒指數建立沙漠旅游氣候舒適指數（DCI）模型，對29個沙漠旅游發展潛力區的月度氣候舒適指數進行計算。曹偉宏等[17]以云南麗江為研究區，構建了一個基于溫濕指數、風效指數和著衣指數的綜合氣候舒適度指數，對麗江旅游適宜期進行分析。此外，2009年德國生物氣象學會提出了包含主動系統和被動系統的復雜的機理模型：熱平衡模型（UTCI），被廣泛應用于不同地區的氣候[18]或人體舒適度預測、室內適宜性評價。中國學者將其應用于深圳[19]、杭州[20]等城市夏季舒適度的估算分析。綜合以上研究可以發現，國內并沒有統一的氣候舒適度計算方法，但其中溫濕指數和風效指數等被廣泛應用于氣候舒適度評價。

海南島地處熱帶北緣，夏無酷熱，冬無嚴寒，四季不分明，年平均氣溫高，氣溫年較差小。本研究采用基于溫濕指數和風效指數構建的綜合氣候舒適度指數和人體舒適度指數分別對海南氣候舒適度進行評估分析，比較2種氣候舒適度指數在海南的適用性，以便對海南的氣候舒適度現狀分布格局及其變化規律有更加清晰的認識。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取海南島18個國家氣象站1991—2020年逐日觀測數據，包括日平均氣溫、日平均濕度、日平均風速和日照時數等，數據來源于海南省氣象局。

1.2 方法

1.2.1 綜合氣候舒適度指數基于氣候舒適度評價研究中廣泛應用的溫濕指數和風效指數[21-23]，構建綜合氣候舒適度指數，對海南氣候舒適度時空分布特征進行分析評價。一般而言，在炎熱的地區或季節著重考慮熱應力的舒適程度，海南屬于熱帶海洋性島嶼季風氣候區，長夏無冬，氣候炎熱，所以探討其綜合氣候舒適度時，溫濕指數所占的權重較大[24]。根據前期研究，利用參考文獻[24]中構建的綜合舒適度指數對海南氣候舒適度時空分布特征進行分析評價。在綜合舒適度指數中，溫濕指數、風效指數的權重為0.65、0.35，綜合舒適度指數（R）計算公式：R= 0.65*THI+0.35*K，其中，THI，K分別為溫濕指數和風效指數。將綜合舒適度指數各等級進行賦值（表1）。

表1 綜合舒適度指數等級劃分

1.2.2 人體舒適度指數人體舒適度指數綜合考慮了溫度、濕度和風速，并將之量化體現，已在我國氣象臺站氣候舒適度評價中被廣泛應用[25-26]。具體計算方法如下：

其中，KSSD為人體舒適性指數，T為溫度（℃），RH為濕度（%），v為風速（m/s）。分級標準見表2。

表2 人體舒適度指數等級劃分

2 結果與分析

2.1 基于綜合舒適度指數的海南氣候舒適度時空分布特征分析

2.1.1 時間分布特征1991—2020年海南島逐月平均綜合舒適度指數（R）值在-55～40（圖1），呈單峰型變化，峰值出現在6月。根據表1，1、2和 12月綜合氣候舒適度屬于舒適等級，3—11月屬于較舒適等級；其中3—6月綜合氣候舒適度指數值升高，氣候舒適度逐漸下降，至6月綜合氣候舒適度指數達到最高值，但氣候舒適度仍處于較舒適等級；6—11月，綜合氣候舒適度指數逐漸減小，氣候舒適度逐漸升高。

圖1 1991—2020年海南綜合氣候舒適度指數月變化

由海南島綜合舒適度各等級月平均日數變化特征（圖2）可以看出，1—12月，最舒適等級的日數呈現U型變化，1月最舒適日數最多，平均為10.73 d，隨后逐漸減少，5—8月最舒適日數均為0 d；9、10月份不足1 d，11月份開始最舒適日數增多，至12月份達到9.16 d。舒適日數的年變化趨勢與最舒適日數一致，也成 U型變化，1月舒適日數最多，為 12.38 d，隨后逐漸減少，5—9月舒適日數均不足 1 d，10月份開始逐漸增加，至12月份達到13.34 d。較舒適日數呈M型變化，1月較舒適日數平均為7.89 d，隨后逐漸增加，至 3月達到 19.58天后開始逐漸減少，至 6月為9.45 d，7月份開始較舒適日數逐漸增加，至10月份達到峰值（24.83 d），然后逐漸減少，至12月份為8.47 d。次舒適日數呈倒U型變化，1月和 2月不足 1 d，3月份開始逐漸增加，至 6月達到20.26 d，隨后開始逐漸減少，11月和12月次舒適日數不足 1 d。1991—2020年 1—3月和8—12月未出現不舒適日數，4—7月出現不舒適日數，但均不足1 d（圖3），即1991—2020年4—7月份僅個別年份偶然出現氣候舒適度為不舒適等級的日數。

圖2 海南島綜合舒適度各等級月平均日數變化

圖3 1991—2020年海南島綜合舒適度指數不同等級日數的月變化

由圖3和表3可知，1991—2020年1—3月和11、12月，較舒適及以上等級日數占比均達到95%以上，占比最少的為6月份（31.73%）。說明海南全年氣候舒適條件好，相對而言，優勢在11月至翌年3月的冬半年。4、9和10月為過渡期。

表3 海南島1—12月綜合氣候舒適度不同等級日數及較舒適以上等級日數

2.1.2 空間分布特征統計海南島 18個國家站1991—2020年綜合舒適度指數最舒適、較舒適、次舒適、不舒適5個等級日數并計算平均值，得到 18個市縣各舒適度等級年平均日數的空間分布圖（圖4）。由圖可知，最舒適等級日數呈現由北向南逐漸減少的趨勢，北部的海口、臨高和儋州最舒適日數在45～60 d；其次為北部的澄邁、定安、屯昌和東部的文昌、瓊海、萬寧，中部的白沙、西部的東方，在 30～45 d；保亭和三亞小于15 d，其余市縣在15～30 d。舒適等級日數分布，中部的五指山和瓊中最多，超過70 d；其次是東北部的臨高、澄邁、海口、定安、文昌、屯昌和瓊海，在60～70 d；第三為東方、白沙、儋州、萬寧、陵水，在50～60 d；其余市縣小于50 d。較舒適等級日數分布總體上南部多于北部，中部的五指山和保亭最多，超過210 d；樂東、三亞、陵水、瓊中和白沙為180～210 d；東方、臨高和海口小于150 d；其余市縣在150～180 d。次舒適等級日數分布呈現出中部少沿海多的趨勢，中部的五指山最少，其次是瓊中；除了東方、三亞、萬寧和瓊海在110～130 d外，其余市縣在90～110 d。不舒適等級日數除了昌江和東方外，其余市縣均不足1 d。綜合以上分析可知，18個市縣較舒適等級以上的日數在236.2～327.6 d，平均為264.0 d，五指山最多，平均每年327.6 d。

圖4 基于綜合舒適度指數的1990—2020年海南島不同舒適等級日數的空間分布

2.2 基于人體舒適度指數的海南氣候舒適度的時空分布特征分析

2.2.1 時間分布特征1991—2020年海南島逐月平均人體舒適度指數在57～65（圖5），呈單峰型變化，峰值同樣出現在 6月。根據表2，1、2和12月人體氣候舒適度屬于較舒適等級，3—11月屬于舒適等級；其中3—6月人體舒適度指數升高，人體舒適度逐漸升高，至6月人體舒適度指數達到最高值，人體舒適度最舒適；6—11月，人體舒適度指數逐漸減小，人體舒適度逐漸下降，但仍處于舒適等級。

圖5 1991—2020年海南人體舒適度指數月變化

由海南島人體舒適度不同等級月平均日數變化特征（圖6）可知，1991—2020年海南出現舒適、較舒適（偏冷）、微涼3個等級的舒適度。其中，舒適日數呈類似倒U型變化，1月份舒適日數平均為 11.01 d（表4），隨后逐漸增加；5—8月幾乎全月均處于舒適等級，9月開始逐漸減少，至12月為12.53 d。較舒適等級日數呈U型變化，1月較舒適日數為19.16 d，隨后逐漸減少，5—9月較舒適日數少于1 d，10月開始逐漸增加，至12月較舒適日數為18.04 d。微冷日數在12月至翌年3月均不足1 d，說明微冷日數只在個別年份偶然出現。

圖6 1991—2020年海南島人體舒適度不同等級日數的月變化

由圖6和表4可知，1991—2020年全年較舒適以上等級日數占比均達到97%，其中4—10月占比為100%，即4—10月人體舒適度均為較舒適或舒適；1—3月和 11、12月，較舒適及以上等級日數占比均達到95%以上，說明海南全年氣候舒適條件好。

表4 海南島1—12月人體舒適度不同等級日數及較舒適以上等級日數

2.2.2 空間分布特征舒適等級日數的空間分布整體上呈現由南向北逐漸減少的趨勢（圖7），樂東和保亭最多，超過320 d；其次為三亞、陵水和昌江，在 300～320 d；除東方、臨高和海口小于280 d外，其余市縣在280～300 d。較舒適（偏冷）等級日數，北部多于南部，東部和中部多于西部，海口、臨高、儋州和東方在80～100 d；昌江、樂東、陵水在40～60 d；保亭小于40 d；其余市縣在60～80 d。微冷等級日數除了東方為11 d，儋州、臨高和海口在3～6 d外，其余市縣均不足3 d。

圖7 基于人體舒適度指數的1990—2020年海南島不同舒適等級日數的空間分布

2.3 綜合舒適度指數和人體舒適度指數評價結果的對比分析

2.3.1 海南逐月綜合舒適度指數和人體舒適度指數的相關分析利用 1991—2020年海南全島 18個國家站逐日的氣象數據，分別計算 18個站逐日的綜合舒適度指數和人體舒適度指數，得到全島平均的綜合舒適度指數和人體舒適度指數，對二者進行逐月的相關性分析，比較2個指數的差異性。

通過相關分析可知（表5），1991—2020年1—12月的綜合舒適度指數（R）與人體舒適度指數（KSSD）的相關系數均大于 0.8，具有高度相關性，且均通過了0.01水平的顯著性檢驗。說明2個公式都能反映出海南島氣候舒適度狀況及逐月變化情況。根據圖1和表1可知，綜合氣候舒適度指數的評價結果為：1、2和 12月氣候舒適度屬于舒適等級，3—11月屬于較舒適等級；根據圖5和表2可知，人體舒適度指數的評價結果為：1、2和12月人體舒適度屬于較舒適等級，3—11月屬于舒適等級，即2個指數評價結果等級并不一致。分析原因，綜合氣候舒適度指數（R）除了考慮氣溫、相對濕度、風速的影響外，還考慮日照時間長短對舒適度的影響。海南島地處熱帶北緣，1991—2020年月平均日照時數達161.3 h，尤其是在夏半年的4—9月，月平均日照時數高達 198.0 h，而較長的日照會導致氣溫升高，并通過影響人的心理感受進而影響人體舒適度。海南島的氣候舒適度表現為冬半年月份優于夏半年月份，因此，綜合氣候舒適度指數對海南島氣候舒適度的評價結果更為合理。另一方面，雷桂蓮[27]提出，人體舒適度指數與綜合氣候舒適度指數具有極顯著相關性，因此，在應用其評價海南氣候舒適度時需對指數分級標準進行修正。

表5 逐月綜合氣候舒適度指數與人體舒適度指數的相關性

2.3.2 綜合舒適度指數和人體舒適度指數空間評價結果的對比分析在海南島北部、東部、中部、西部和南部選擇5個代表市縣海口、瓊海、五指山、昌江和三亞，計算1991—2020年逐月的綜合氣候舒適度指數，并分別與全島每月平均的綜合氣候舒適度指數進行相關性檢驗（表6）。海口、瓊海和昌江3個市縣與全島平均的逐月綜合氣候舒適度指數的相關系數均大于0.7，為高度相關，且均通過了0.01水平的顯著性檢驗。五指山的綜合氣候舒適度指數與全島均為高度相關或顯著性相關，且均通過了0.01水平的顯著性檢驗。南部的三亞除了9和11月的綜合氣候舒適度指數與全島的相關性未通過顯著性檢驗外，其它月份與全島的相關性均通過了0.05或0.01水平的顯著性檢驗。通過顯著性檢驗可知，綜合氣候舒適度指數適合用于海南人體氣候舒適度評價。由表7可以看出，瓊海、五指山和昌江的人體舒適度指數與全島均為高度相關或顯著性相關，且均通過了0.01水平的顯著性檢驗。海口除了6—9月外，其余月份均通過了0.01水平的顯著性檢驗。三亞各月雖通過了 0.01水平的顯著性檢驗但多為低度相關。通過相關性分析對比發現，綜合氣候舒適度指數比人體舒適度指數更適合用于海南島氣候舒適度的評價。

表6 代表市縣與全島平均的逐月綜合氣候舒適度指數的相關性分析

表7 代表市縣與全島平均的逐月人體舒適度指數的相關性分析

3 討論與結論

（1）海南全年氣候綜合舒適度指數在-55～40，屬于舒適、較舒適和次舒適等級，全年氣候舒適條件好，11月至翌年3月的冬半年更優。空間分布上，最舒適日數和舒適日數總體上北部多于南部，全島 18個市縣較舒適等級以上的日數在236.2～327.6 d，平均為264.0 d。海南全年人體舒適度指數在57～65，全年較舒適以上等級日數占比均達到97%，其中4—10月占比為100%，即4—10月人體舒適度均為較舒適或舒適。1—3月和11、12月，較舒適及以上等級日數占比均達到95%以上。空間分布上，舒適等級日數的空間分布整體上呈現由南向北逐漸減少的趨勢。

（2）1991—2020年1—12月的綜合舒適度指數和人體舒適度指數均具有極顯著的相關性，說明2個指數都能反映出海南島氣候舒適度狀況及逐月變化情況；但2個指數評價結果的等級并不一致。同時結合代表性市縣2種指數與全島平均指數的相關分析發現，綜合氣候舒適度指數更適合用于海南島氣候舒適度評價，原因可能在于其考慮了日照時數對舒適度的影響，更符合海南島的氣候特點，特別是南部日照充足的地區。

（3）無論是綜合氣候舒適度指數，還是人體舒適度指數均為經驗模型，關于采用經驗模型進行氣候舒適度計算，國內并沒有統一的方法。本研究對2種經驗指數在海南的適用情況進行比較分析，對海南島氣候舒適度評價研究具有一定的意義，下一步將采用熱平衡模型（UTCI）等機理模型對氣候舒適度進行計算和比較，以期更加科學精細地進行海南人體氣候舒適度評價及其演變規律探究。