咸寧市生態(tài)旅游氣候適宜性分析

邢麗田，吳棟橋，朱云柏，魏華兵

（1.咸寧市氣象局，湖北 咸寧 437100；2.武漢區(qū)域氣候中心，武漢 430000）

氣候舒適性是一個(gè)地區(qū)發(fā)展旅游業(yè)的重要因素和開展旅游活動(dòng)的重要條件，旅游活動(dòng)具有季節(jié)性特征，受氣候因素影響較大，一個(gè)地方的氣候舒適性及其持續(xù)期長短，直接影響地方旅游時(shí)間的長短和游客旅游目的地的選擇［1-3］。國內(nèi)外研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，德國學(xué)者 Mieczkowski［4］1985 年首次提出了旅游氣候指數(shù)（TCI）概念，將相關(guān)的氣候變量融合在一個(gè)綜合指數(shù)里對(duì)旅游目的地氣候資源進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)估，2013 年 Tang［5］在 TCI 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，提出了度假氣候指數(shù)（HCI），并說明了HCI 比TCI 更能準(zhǔn)確地表述一個(gè)地區(qū)的氣候旅游舒適度。Thorsson 等［6］分析了瑞典哥德堡市在氣候變化背景下室外熱舒適條件的潛在變化。中國學(xué)者對(duì)于氣候舒適指數(shù)也做了大量研究［7-12］，先后運(yùn)用氣象要素、溫濕指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)以及綜合指數(shù)等方法，研究中國不同旅游地、城市和風(fēng)景名勝區(qū)氣候適宜性和旅游氣候舒適度，還探討了旅游氣候舒適度和客流量的關(guān)系［13-15］。近年來，國外一些研究者也開展了一些針對(duì)性的研究，如Lina 等［16］基于人體熱感覺評(píng)價(jià)了中國東部和臺(tái)灣省的旅游氣候信息，Matzarakis 等［17］評(píng)價(jià)了希臘克里特島旅游氣候及旅游潛力。中國各地氣象部門結(jié)合當(dāng)?shù)芈糜伟l(fā)展需要和旅游資源特點(diǎn)，利用天氣氣候資料在旅游適宜季節(jié)劃分、旅游氣象服務(wù)等方面相繼開展了一些工作，對(duì)指導(dǎo)地方旅游業(yè)發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)［1，10，11，18，19］。咸寧市地處中緯度地帶（29.02°—30.19°N，113.32°—114.28°E），屬亞熱帶濕潤型大陸季風(fēng)氣候，受西風(fēng)帶和亞熱帶季風(fēng)環(huán)流的雙重影響，具有南北氣候過渡帶的天氣特征，冬冷夏熱，春溫多變，秋高氣爽，梅雨顯著；全市地勢(shì)東南高西北低，境內(nèi)地形復(fù)雜，北部為江漢平原邊緣，南部為東北-西南走向的幕阜山脈，南部山區(qū)具有較明顯的山地氣候特點(diǎn)。總體氣候溫和，降水充沛，光照充足，四季分明。但是春季冷暖起伏大、夏季潮濕悶熱，秋季干燥，冬季干冷、濕冷交替，因此有必要對(duì)咸寧市人體舒適度進(jìn)行系統(tǒng)研究。隨著咸寧市綠色崛起戰(zhàn)略的實(shí)施，有關(guān)生態(tài)旅游區(qū)規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目呈超常發(fā)展態(tài)勢(shì)［20］，目前對(duì)咸寧市旅游資源氣候舒適度的系統(tǒng)性研究很少。因此，本研究根據(jù)咸寧市氣候特征，客觀、科學(xué)地分析了當(dāng)?shù)厝梭w舒適度和度假氣候適宜性的時(shí)空分布特征，為咸寧市旅游氣候資源管理和旅游氣候資源開發(fā)提供了科學(xué)可靠的決策依據(jù)，對(duì)于咸寧市旅游經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

使用資料為1960—2013 年咸寧、赤壁、嘉魚、崇陽、通城、通山6 個(gè)國家氣象站54 年的逐年平均氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水量、云量等常規(guī)氣象觀測(cè)資料。綜合考慮了氣象要素的物理特性、地形影響，根據(jù)氣候界限值、內(nèi)部一致性、時(shí)間一致性和空間一致性等特點(diǎn)，在資料使用前進(jìn)行了一系列的質(zhì)量控制及處理，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1.2 研究方法

采用人體舒適度指數(shù)、度假氣候指數(shù)、歷史演變表征方法、空間自協(xié)方差最佳插值法對(duì)咸寧市生態(tài)旅游氣候進(jìn)行定量解釋和分析。

1.2.1 人體舒適度指數(shù)及等級(jí)劃分 人體舒適度指數(shù)（CHBI）的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)［21，22］的計(jì)算方案見式（1），人體舒適度指數(shù)等級(jí)劃分見表1。CHBI在考慮了溫度和濕度影響的同時(shí)，也考慮了風(fēng)對(duì)人體舒適感的影響。

表1 人體舒適度指數(shù)（CHBI）等級(jí)劃分

式中，T、RH、V分別代表環(huán)境平均溫度（℃）、相對(duì)濕度（%）、風(fēng)速（m/s），由式（1）可知，CHBI與氣溫呈正相關(guān)，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)1.8T-26＞0，即T＞14.4 ℃時(shí)，RH與CHBI呈正相關(guān)；當(dāng)T＜14.4 ℃時(shí)，RH與CHBI呈負(fù)相關(guān)，可見相對(duì)濕度較大時(shí)，其對(duì)人體舒適度指數(shù)的影響也隨之減小。

1.2.2 度假氣候指數(shù)及等級(jí)劃分 度假氣候指數(shù)（HCI）的計(jì)算方法以及其旅游適宜度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)參考文獻(xiàn)［22］的方案，HCI由3 個(gè)因子按照不同比例構(gòu)成（表2），它們分別是熱舒適因子T，占40%，表示人體對(duì)溫度高低的感覺，通過日最高氣溫和日平均相對(duì)濕度根據(jù)式（2）獲得的有效溫度（TE，即環(huán)境溫度經(jīng)過濕度訂正后的人體實(shí)感溫度）來表征；審美因子A，通過云量的多寡來表征，占20%；物理因子P，通過降水量（R）和風(fēng)速（V）來表征，占40%。最終通過度假氣候指數(shù)的評(píng)分方案獲得各因子分值后，帶入式（3）得出HCI，其值處于0～100，對(duì)應(yīng)的旅游氣候分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表2 度假氣候指數(shù)（HCI）的構(gòu)成

表3 度假氣候指數(shù)（HCI）旅游氣候分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

式中，TE為有效溫度（℃），TM為日最高氣溫（℃），RH為相對(duì)濕度（%），T為有效溫度評(píng)分，A為云覆蓋率（%）評(píng)分，R為日降水量（mm）評(píng)分，V為風(fēng)速（km/h）評(píng)分。

1.2.3 歷史演變表征方法 利用線性回歸方法對(duì)人體舒適度的時(shí)間變化特征進(jìn)行分析，對(duì)1960—2013年咸寧市全年和四季人體舒適度指數(shù)和對(duì)應(yīng)時(shí)間序列進(jìn)行分析，一元線性回歸方程，公式如下。

式中，yi為某氣象站點(diǎn)第ti時(shí)段的人體舒指數(shù)值，ti為yi相應(yīng)的時(shí)間序列，a為線性斜率，b為斜距；回歸系數(shù)a的正負(fù)表示增加或減少趨勢(shì)，可以采用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，其顯著性采用相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.2.4 空間自協(xié)方差最佳插值法 克里金（Kriging）插值法又稱空間自協(xié)方差最佳插值法，是一種最優(yōu)內(nèi)插法。它首先考慮的是空間屬性在空間位置上的變異分布，確定對(duì)一個(gè)待插點(diǎn)值有影響的距離范圍，然后用此范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)來估計(jì)待插點(diǎn)的屬性值。該方法在數(shù)學(xué)上可對(duì)所研究的對(duì)象提供一種最佳線性無偏估計(jì)（某點(diǎn)處的確定值）的方法。假設(shè)已有N個(gè)觀測(cè)站得到氣象數(shù)據(jù)，z=［z1，z2，z3，…，zN］T，待求解位置為待估點(diǎn)z0。根據(jù)無偏估計(jì)和方差最小，可求得估計(jì)值。

式中，N為觀測(cè)站數(shù)量，T為矩陣序列的轉(zhuǎn)置，zi為第i個(gè)氣象數(shù)據(jù)，ωi為待估加權(quán)系數(shù)，滿足條件：

根據(jù)方差最小的原則，可以得到：

式中，φ為待定的拉格朗日算子，可導(dǎo)出插值的解應(yīng)滿足：

將其寫成矩陣形式：

求得ωi值和φ值后，便可通過式（5）求出待估位置z0處的最優(yōu)估值。

2 結(jié)果與分析

2.1 人體舒適度指數(shù)特征

2.1.1 年變化 由圖1 可見，1960—2013 年咸寧6縣（市）年人體舒適度指數(shù)最小值均為56，即最低等級(jí)為-1 級(jí)，人體感覺清涼，大部分人感覺舒適；最大值咸寧、通城、通山為60，赤壁、嘉魚、崇陽為61，即等級(jí)為0 級(jí)，人體感覺最舒適；平均值為58～59，等級(jí)為-1～0 級(jí)，人體感覺清涼到最舒適。從年代變化分析，1987 年以前各縣（市）基本低于平均值，1969—1972 年出現(xiàn)一次波谷；1987 年之后基本高于平均值，1997—2007 年出現(xiàn)明顯的持續(xù)上升趨勢(shì)，2008—2012 年出現(xiàn)一次波峰，除咸寧、嘉魚低于平均值外，其他縣（市）均高于平均值，2013 年又開始上升。從年變化趨勢(shì)分析，各縣（市）均呈一致性增加趨勢(shì)，即從清涼向最舒適增長，咸寧、赤壁、嘉魚、崇陽、通城、通山CHBI的增速分別為 0.36/10 年、0.48/10 年、0.56/10 年、0.45/10 年、0.52/10 年、0.43/10 年，均通過了置信度為0.05 的顯著性檢驗(yàn)，全市CHBI增長速度分布如圖2 所示，咸寧增速最低，西北部增速最大，其次為西南、東南部，因此咸寧市人體舒適度的增長為全市的合理規(guī)劃（以咸寧為中心，加大中心區(qū)域發(fā)展）、推動(dòng)各縣（市）向兩翼發(fā)展，進(jìn)一步提高民眾生活質(zhì)量，進(jìn)行旅游開發(fā)提供基礎(chǔ)支持。從年代變化分析，1987 年是變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1987 年以前基本低于平均值，1987 年以后基本高于平均值；從年變化趨勢(shì)分析，全市逐年呈一致性增加趨勢(shì)，即從清涼向最舒適增長，增長速率以咸寧為中心點(diǎn)，依次向西北、西南、東南逐漸增大。

圖1 咸寧6 縣（市）人體舒適度指數(shù)逐年變化

圖2 咸寧地區(qū)人體舒適度指數(shù)線性增長速率分布

2.1.2 季變化 從全市四季平均特征分析（圖3），春季平均人體舒適度指數(shù)最大值為61，人體感覺最舒適，最小值為54，人體感覺清涼，平均值為57，等級(jí)為-1 級(jí)，人體感覺清涼到最舒適；夏季平均人體舒適度指數(shù)最大值為77，人體感覺偏熱，部分人感覺不舒適，最小值為73，人體感覺溫暖，大部分人感覺舒適，平均值為75，等級(jí)為1 級(jí)上限，人體感覺溫暖到偏熱；秋季平均人體舒適度指數(shù)最大值為63，人體感覺最舒適，最小值為56，人體感覺清涼，平均值為60，等級(jí)為0 級(jí)，人體感覺清涼到最舒適；冬季平均人體舒適度指數(shù)最大值為46，最小值為40，平均值為43，等級(jí)為-2 級(jí)，人體感覺微冷，大部分人感覺不舒適。從全市四季年代變化分析，各季平均人體舒適度指數(shù)變化與年變化趨于一致，1987 年以前各縣市基本低于平均值，1987 年之后基本高于平均值；從四季全市平均變化趨勢(shì)分析，四季均呈一致性增加，其中春、夏、秋、冬增速分別為0.59/10 年、0.21/10 年、0.48/10 年、0.52/10 年，均通過了置信度為0.05 的顯著性檢驗(yàn)，春季增速最快，即春季從清涼向最舒適轉(zhuǎn)變速度最快，其次為冬季，即冬季逐漸從微冷向清涼轉(zhuǎn)變，再者為秋季，同春季一樣，也是從清涼向最舒適過度，夏季增速最慢，即夏季從偏熱向炎熱轉(zhuǎn)變速度最慢。咸寧市四季平均人體舒適度指數(shù)增長速率空間分布如圖4 所示，總體來說春季、夏季均自西北向東南逐漸減小，其中春季增速最大中心位于嘉魚，大于0.70/10年，咸寧東部、通山最慢，小于0.50/10 年；夏季也是嘉魚增速最快，大于0.26/10 年，通山增速最慢，小于0.14/10 年，因此春季從清涼向最舒適轉(zhuǎn)變的速度嘉魚最快，咸寧東部和通山最慢；夏季從溫暖向偏熱轉(zhuǎn)變的速度嘉魚最快，通山最慢。秋季和冬季增長速率空間變化較一致，自西向東逐漸減小，其中秋季赤壁增速最快，大于0.56/10 年，咸寧增速最慢，小于0.38/10 年，因此秋季向最舒適轉(zhuǎn)變的速度赤壁最快，咸寧最慢；冬季赤壁增速最快，大于0.60/10 年，咸寧增速最慢，小于0.42/10 年，因此冬季向清涼轉(zhuǎn)變的速度赤壁最快，咸寧最慢。總體來說，人體感覺春季是清涼到最舒適，夏季是溫暖到偏熱，秋季是清涼到最舒適，冬季是微冷；春、夏、秋、冬季節(jié)人體舒適度指數(shù)均呈增加趨勢(shì)，春季增速最快，其次為秋季和冬季，夏季增速最慢，空間變化上，各季增速自西（北）向東（南）逐漸減小，春季嘉魚向舒適轉(zhuǎn)變的速度最快，夏季通山向炎熱轉(zhuǎn)變的速度最慢，秋季赤壁向最舒適轉(zhuǎn)變的速度最快，冬季赤壁向清涼轉(zhuǎn)變的速度最快。

圖3 咸寧市四季平均人體舒適度指數(shù)逐年變化

圖4 咸寧市四季人體舒適度指數(shù)線性增長速率分布

2.1.3 月變化 從全市平均人體舒適度指數(shù)逐月變化分析（圖5）可見，4 月、5 月、9 月和10 月人體舒適度指數(shù)分別為58、66、69 和60，大多數(shù)人體感覺最舒適；7 月和8 月人體舒適度指數(shù)分別為76 和75，人體感覺偏熱，其中 7 月最熱；2 月、3 月、11 月和 12 月，人體舒適度指數(shù)分別為42、48、50、42，人體感覺微冷，但3 月和11 月接近清涼，體感較舒適；1 月人體舒適度指數(shù)為38，人體感覺很冷，是一年中感覺最冷的月份；6 月人體舒適度指數(shù)為72，人體感覺溫暖。因此 4 月、5 月、9 月和 10 月大多數(shù)人感覺最舒適；7 月和8 月感覺偏熱，7 月是一年中體感最熱的月份，容易出汗中暑，需要采取有效的避暑措施；1 月感覺很冷，是一年中體感最冷的月份，易發(fā)生凍傷，需要采取有效的保暖措施；其他月份大多數(shù)人感覺較舒適。

圖5 1960—2013 年咸寧市人體舒適度指數(shù)月變化

2.2 度假氣候指數(shù)特征

從咸寧市平均度假氣候指數(shù)的年、季變化分析（表4），年平均值為69，等級(jí)為適宜，春季平均值為71，等級(jí)為很適宜，夏季平均值為62，等級(jí)為適宜，秋季平均值為83，等級(jí)為特別適宜，冬季平均值為66，等級(jí)為適宜。因此整體來說，咸寧市適宜度假旅游，尤以秋季和春季最適宜。

表4 1960—2013 年咸寧市季、年度假氣候指數(shù)

從6 個(gè)縣（市）個(gè)各月度假氣候指數(shù)分析（圖6），1 月、2 月、3 月、12 月全市在 63～69，均達(dá)到適宜，且指數(shù)值依次逐漸增大，適宜度依次增加；4 月指數(shù)除嘉魚為71，達(dá)到很適宜外，其他均為69，達(dá)到適宜等級(jí)上限，因此4 月基本達(dá)到很適宜；5 月指數(shù)除崇陽和通山為69，為適宜，其他均為73，達(dá)到很適宜，因此5 月大部分為很適宜；6 月指數(shù)嘉魚、通城和通山分別為65、65 和61，達(dá)到適宜，咸寧、赤壁、崇陽分別為 56、52 和 52，為可以接受；7 月指數(shù)除嘉魚為 68，達(dá)到適宜外，其他縣（市）均為59，為可以接受；8 月指數(shù)除嘉魚為70，達(dá)到很適宜外，其他縣市均為68，為適宜；9、11 月指數(shù)全市在71～79，達(dá)到很適宜等級(jí)上限；10 月指數(shù)咸寧、赤壁、嘉魚為83，崇陽、通城、通山為87，均達(dá)到特別適宜。 因此，對(duì)咸寧來說，度假適宜性除6 月、7 月大部分地區(qū)為可以接受外，其他月份均適宜，其中 10 月特別適宜，4 月、5 月、9 月、11 月大部分為很適宜。

圖6 咸寧各縣市各月度假氣候指數(shù)

從度假氣候指數(shù)因子影響程度分析（圖7），4 項(xiàng)因子中有較明顯差異的是有效溫度和日降水量，云覆蓋率差異較小，風(fēng)速全市各月無差異，因此重點(diǎn)分析有效溫度、日降水量的影響。從時(shí)間角度分析，各月有效溫度評(píng)分在 16～40，其中 1 月、5 月、6 月、11 月全市達(dá)到35 以上，貢獻(xiàn)最明顯，2 月評(píng)分僅為16，貢獻(xiàn)最小；各月日降水量評(píng)分在 6～27，其中 2 月、3 月、10 月、11 月、12 月全市均為 27，貢獻(xiàn)最大，7 月評(píng)分最低，為6～15，貢獻(xiàn)最小。從空間角度分析，各縣市有效溫度評(píng)分在 6 月、7 月、11 月略有差異，其中 6 月和 11 月為36～40，7 月為28～32；各縣（市）日降水量評(píng)分在 7 月、8 月有明顯的差異，7 月為 6～15，8 月為15～24，咸寧、赤壁、崇陽7 月評(píng)分為6，為全市全年最低。另外，各月各縣（市）云覆蓋率評(píng)分在8～12，僅在5 月、9 月、12 月略有差異，風(fēng)速評(píng)分各縣（市）各月均為10，無差異。因此，4 項(xiàng)影響因子中有效溫度貢獻(xiàn)最大，其次為日降水量，再次為風(fēng)速，最后為云覆蓋率；有效溫度在 1 月、5 月、6 月、11 月貢獻(xiàn)最大，2月貢獻(xiàn)最小，日降水量在 2 月、3 月、10 月、11 月、12月貢獻(xiàn)最大，7 月貢獻(xiàn)最小，云覆蓋率評(píng)分差異較小，風(fēng)速全市各月無差異。

圖7 咸寧各縣（市）度假氣候指數(shù)各項(xiàng)因子評(píng)分

3 結(jié)論

通過分析年平均人體舒適度指數(shù)可知，咸寧總體感覺舒適，全市逐年呈一致性增加趨勢(shì)，1987 年是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即整體從清涼向最舒適增長，增長速率以咸寧為中心點(diǎn)，依次向西北、西南、東南逐漸增大。

通過分析人體舒適度指數(shù)四季特征發(fā)現(xiàn)，咸寧市人體感覺春、秋季是清涼到最舒適，夏季是溫暖到偏熱，冬季是微冷；春、夏、秋、冬季節(jié)人體舒適度指數(shù)均呈增加趨勢(shì)，春季增速最快，其次為秋季和冬季，夏季增速最慢，空間變化上，各季增速自西（北）向東（南）逐漸減小，春季嘉魚向舒適轉(zhuǎn)變的速度最快，夏季通山向炎熱轉(zhuǎn)變的速度最慢，秋季赤壁向最舒適轉(zhuǎn)變的速度最快，冬季赤壁向清涼轉(zhuǎn)變的速度最快。

通過分析人體舒適度指數(shù)逐月特征發(fā)現(xiàn)，4 月、5 月、9 月、10 月大多數(shù)人感覺最舒適；7 月和 8 月感覺偏熱，7 月是一年中體感最熱的月份，容易出汗中暑，需要采取有效的避暑措施；1 月感覺很冷，是一年中體感最冷的月份，易發(fā)生凍傷，需要采取有效的保暖措施；其他月份大多數(shù)人感覺較舒適。

在人體舒適度指數(shù)基礎(chǔ)上分析度假氣候指數(shù)發(fā)現(xiàn)，咸寧市總體適宜度假旅游，尤以秋季和春季最適宜；從各月特征分析，除6、7 月不太適宜度假外，其他月份均適宜，其中 10 月特別適宜，4 月、5 月、9 月、11 月大部分很適宜。

對(duì)度假氣候指數(shù)的4 項(xiàng)影響因子貢獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，有效溫度貢獻(xiàn)最大，其次為日降水量；有效溫度在 1 月、5 月、6 月、11 月貢獻(xiàn)最大，2 月貢獻(xiàn)最小，日降水量在 2 月、3 月、10 月、11 月、12 月貢獻(xiàn)最大，7 月貢獻(xiàn)最小，云覆蓋率評(píng)分差異較小，風(fēng)速全市各月無差異。