基于温湿指数和风效指数的中国人居环境气候舒适期与适宜性研究

基于温湿指数和风效指数的中国人居环境气候舒适期与适宜性研究

1国内外研究现状气候是影响人类活动和生活环境的重要因素。气候适宜度是以人类机体与近地大气之间的热交换原理为基础,从气象角度评价人类在不同气候条件下舒适程度的一项生物气象指标。国外关于气候适宜性的研究可以追溯到1920年英国学者洪特等提出的有效温度,此后不同学者从不同角度提出了多种评价指标。由Thom1959年提出并由Bosen进一步发展的不适指数考虑了气温和相对湿度对人体的影响,被广泛应用于不同气候条件下人体舒适度评价;1966年Terjung提出并运用舒适指数和风效指数对美国大陆的生理气候适宜性进行了评价;1973年J.EOliver基于温湿指数和风效指数探讨了温度、湿度、风速和日照等气候条件对人体舒适度的影响;1979年生物气象学家Steadman从人体热量平衡角度提出的感热温度亦备受人们关注。中国古代人们就已经注意到了自然气候变化对人类的影响,最初的研究主要是从医学角度探讨气象要素及其四时变迁对人体健康的影响。20世纪80年代有学者逐渐开始从聚居角度探讨气候适宜性。90年代以来中国气候适宜性研究主要以定量评价为主,少数学者在参考国内外已有研究的基础上提出了自己的评价模型,如张剑光等的气候宜人度模型、吕伟林的体感温度模型以及王远飞等的上海气候舒适度指数等。国内另有一些学者利用已有的评价模型对典型区域的气候适宜性进行了探讨,如冯定原等根据Steadman的感热温度计算了中国各地四季感热温度的分布变化;王金亮等利用舒适指数和风效指数以及综合舒适指数对香格里拉的旅游气候适宜度以及昆明市人居环境的气候适宜性进行了评价;刘沛林以有效温度和舒适指数为评价指标对中国乡村人居环境的气候舒适度进行了研究;范业正、余珊以及刘清春等采用温湿指数和风效指数分别对中国海滨旅游地的气候适宜性、福建旅游资源的气候适宜性以及中国44座主要城市的旅游气候舒适性进行了定量评价。从国内外研究进展来看,气候适宜性评价已成为人居环境和旅游资源评价的一项重要内容。国内目前的研究主要运用已有的评价模型,综合考虑温度、湿度等气候因子的影响,利用气象资料对区域的气候适宜性进行评价,研究多集中在以自然地域和行政区域为评价单元的中小尺度,以栅格为单元在全国尺度上对中国气候适宜性的评价研究尚不多见。中国地域辽阔,以栅格为评价单元可以更精确地反映气候条件的区域差异。在系统梳理国内外研究背景的基础上,本文以1km×1km栅格为评价单元,运用GIS技术,计算了中国不同地区的温湿指数和风效指数,并对其空间分布规律及各月份气候的舒适性进行了分析;在此基础上,以温湿指数和风效指数为基础,计算了中国不同地区的气候舒适期;最后对中国的气候适宜性进行了评价,以期定量揭示中国不同地区的气候适宜程度及其空间格局。2区域气候资源适宜程度的确定气候条件主要由气压、气温、湿度、风力、日照和降水等要素组成,在所有气象指标中,对人体影响最大的是气温、湿度、风力和日照,它们直接关系到人体与外界环境的热量与水分交换,4个要素的不同组合模式构成了区域气候资源适宜程度的本底特征。本研究选取上述4个要素为主要评价指标,运用在国内外得到广泛应用的温湿指数和风效指数对中国气候的适宜性进行定量评价。2.1区域气候适宜性评价温湿指数(THI)由俄国学者的有效温度演变而来,它的物理意义是湿度订正以后的温度,综合考虑了温度和湿度对人体舒适度的影响。风效指数(K)由Bedford提出,Siple、Court以及Thomas-Boyd等人对其进行了改进,它表征了在寒冷环境条件下,风速与气温对裸露人体的影响,其物理意义是指皮肤温度为33℃时,体表单位面积的散热量(kmol/m2·h)。THI和K的计算公式如下:THI=T−0.55(1−f)(T−58)‚T=1.8t+32(1)K=−(10v√+10.45−v)(33−t)+8.55s(2)ΤΗΙ=Τ-0.55(1-f)(Τ-58)‚Τ=1.8t+32(1)Κ=-(10v+10.45-v)(33-t)+8.55s(2)式中:t为月均摄氏温度(℃);T是华氏温度;f是月均空气相对湿度(%);v是地面以上10m高度处的平均风速(m/s);s是日照时数(h/d)。基于温湿指数和风效指数的区域气候适宜性评价标准如表1所示。本研究将区域的温湿指数或风效指数的生理气候指标分为9级,当等级为C、A、b或B时,气候适宜性为舒适;生理气候指标等级c、d、e对应的为冷不舒适;D、E对应的为热不舒适。2.2人口密度栅格本文所采用的数据主要包含了中国月平均温度、降水、相对湿度、风速等气象资料和2000年全国人口密度栅格数据。气象原始数据均来源于国家气象信息中心,空间范围包含了全国730个基准台站,时间范围为1961年～2001年月均值资料。分析中我们采用ARC/GIS的地统计分析模块,运用梯度距离平方反比法对温度、运用样条法对降水、运用普通克里格法对相对湿度与风速分别进行了空间内插,进而获取了全国1km×1km尺度各气象要素的栅格图层。2000年全国人口密度栅格数据由国家科学数据共享工程——地球系统科学数据共享网提供。该数据采用全国2000年分县人口数据,运用基于格点生成法的人口密度空间分布模拟模型,通过融合净第一性生产力、数字高程、城市规模和密度、交通基础设施密度等数据集,模拟了1km×1km栅格尺度中国人口的空间分布,较好地反映了中国人口分布的空间格局与地域差异,应用较为广泛。在进行运算处理前,通过投影变换和ARC/INFO的重采样等命令,我们将所有图件的投影方式均转换成正轴等面积双标准纬线割圆锥投影,将所有栅格数据单元的大小统一为1km×1km。3中国月气候适宜性评价根据公式(1)、公式(2),运用ARC/GIS的空间分析模块,本研究以1km×1km为基本单元,计算了中国12个月份的温湿指数和风效指数,并根据生理气候分级标准(表1),确定了中国1km×1km栅格尺度逐月气候的舒适性。本文以一月与七月为例,对中国温湿指数和风效指数的空间分布规律以及基于二者的月气候适宜性进行了分析与判断。图1为一月份和七月份中国1km×1km栅格的温湿指数和风效指数及其相应的气候舒适性评价结果。由图可知中国的温湿指数和风效指数的总体分布趋势是由东南沿海向西北内陆递减。一月份中国月均温介于-45℃～25℃之间,全国大部分地区寒冷干燥。据温湿指数判断,一月份全国仅两广丘陵和藏南谷地为舒适区,面积不足5%;风效指数表明一月份四川盆地、云贵高原和东南丘陵为气候舒适区,面积216.86×104km2,占22.59%。七月份中国月均温介于-18～36℃之间,全国大部分地区温暖湿润。就温湿指数而言,七月份中国气候舒适区主要集中在东北平原、内蒙古高原、准噶尔盆地和云贵高原等地区,面积542.59×104km2,占全国的56.52%;风效指数表明七月份中国大部分地区为气候舒适区,面积754.94×104km2,占78.64%;相对而言,基于风效指数的一月份和七月份舒适区均偏大。4根据温湿度指数和风效率指数，中国生活环境的气候适应性评价4.1气候舒适期的识别在对全国气候舒适性进行判断的基础上,本文在参考生理气候舒适指标分级标准(表1)的基础上,计算了中国栅格尺度(1km×1km)的人居环境气候舒适期。温湿指数考虑的是温度和湿度对人体舒适性的影响,风效指数侧重反映风速、温度和日照时数对人体的作用,因此我们认为在某个月份中,温湿指数和风效指数等级必须同为C、A、b或B时该月方为气候舒适月,舒适月的持续时间即为气候舒适期。该判断过程可以通过ARC/GIS的空间分析模块实现。基于温湿指数和风效指数的中国1km×1km栅格的气候舒适期如图2和表2所示。由图表可知,中国的气候舒适期区域之间差异显著,整体分布趋势为由东南沿海向西北内陆逐渐变短,最高值分布在东南丘陵和云贵高原东南部,舒适期为12个月,最低值分布在青藏高原和天山山地等高寒地区,为全年气候不舒适区。气候舒适期为5个月的地区面积最大,占全国总面积的29.14%;全年气候不舒适区的面积次之,占全国的22.77%;舒适期在半年(6个月)以上的地区总面积326.40×104km2,占全国的34%,其中舒适期9个月以上地区占8.07%;舒适区为12个月的地区面积最小,比例不足全国的1%。4.2中国人居环境气候适宜性区域分布在对中国1km×1km栅格尺度气候舒适期进行分析的基础上,本文依据气候舒适期的长短,参考平均温度的特征值,对中国人居环境的气候适宜性进行了评价。我们将中国不同地区人居环境的气候适宜程度分划分为不适宜、临界适宜、一般适宜、中度适宜和高度适宜5类:①第一类为不适宜地区,全年气候冷不舒适,年均温度在0℃以下的高寒地区;②第二类为临界适宜地区,气候舒适期介于1～4个月之间,年均温略高于0℃的偏冷地区;③第三类为一般适宜区,月舒适期为5～6个月,年均温在10℃左右,月均温介于-1～29℃之间的冷凉地区;④第四类为比较适宜地区,气候舒适期介于7～8个月之间,年均温在15℃左右,冬季略冷夏季略热的地区;⑤第五类为高度适宜地区,气候舒适期在9个月以上,年均温在20℃左右。中国人居环境气候适宜性分类评价标准如表3所示。根据表3,我们完成了中国人居环境气候适宜性评价,结果如图3所示。由图3可以看出,中国人居环境的气候适宜程度整体表现为由东南沿海向西北内陆、由高原、山地向丘陵、平原递减的趋势。在分析了中国人居环境气候适宜性空间分布规律的基础上,本文将评价结果与2000年全国栅格人口密度数据进行了叠置分析,以期揭示宏观尺度上气候条件对人口分布的影响。结果表明气候条件是影响人口分布的重要因素,全国人口明显集中分布于候适宜程度较高的地区,具体而言(表4):(1)高度适宜地区面积77.44×104km2,接近全国的1/12;相应人口为2×108,占全国总人口的15.77%,主要集中在东南丘陵、云贵高原南部、藏南谷地、四川盆地和长江中下游平原的局部地区,人口密度264人/km2;(2)比较适宜地区面积136.92×104km2,约占全国的1/7;相应人口为3.17×108,占全国人口总数的24.98%,主要集中在塔里木盆地西部、华北平原局部、山东半岛、四川盆地、藏南谷地、云贵高原局部和江南丘陵,人口密度237人/km2;(3)一般适宜地区土地面积391.80×104km2,约占全国总面积的2/5;相应的人口为7.28×108,占全国的3/5,主要分布在准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、内蒙古高原、黄土高原、东北平原和长江中下游平原,人口密度190人/km2;(4)临界适宜地区面积135.22×104km2,占全国的14.06%;相应人口2052×104,占全国的1.62%;是气候适宜与否的过渡区域,主要分布在青藏高原西南缘、柴达木盆地周边、横断山区部分地区、天山山地区和大小兴安岭,人口密度16人/km2;(5)不适宜地区面积218.62×104km2,占全国的22.77%人口197×104,占全国的0.16%,主要分布在青藏高原腹地、横断山区以及祁连山和天山山地区,人口密度不到1人/km2,多为高寒无人区。5气候舒适的空间分布基于温湿指数和风效指数模型,利用GIS技术,计算了中国1km×1km栅格的温湿指数和风效指数,分析了其空间分布规律及逐月气候的舒适性;根据月舒适性判断结果,计算了中国栅格尺度人居环境的气候舒适期;在此基础上,参考人居环境气候舒适期以及温度等指指标,全面评价了中国人居环境的气候适宜性,研究表明:(1)温湿指数和风效指数空间分布的总体趋势为由东南沿海向西北内陆递减;据温湿指数判断,一月份中国气候舒适区面积不足5%,七月份中国气候舒适区面积542.59×104km2,占全国的56.52%;风效指数表明一月份和七月份中国气候舒适区面积为216.86×104km2和754.94×104km2,分别占22.59%和78.64%;相对而言,基于风效指数的气候舒适区偏大;(2)中国人居环境的气候舒适期地域差异显著