一種具有夏熱期響應的相對舒適度指數

一種具有夏熱期響應的相對舒適度指數

為了衡量不同天氣條件下人體的舒適度，近年來開發(fā)了許多舒適度指數。它包括溫度和濕度的溫度指數、溫度和風的寒風溫度，以及由人類熱量平衡方程（包括太陽輻射、高度和各種生理過程、服裝和熱量傳輸）確定的人體感覺溫度。這些指數在人體熱舒適、生物氣候條件評價、氣象與健康以及城市規(guī)劃等方面得到了廣泛應用。近年來,我國各地對人體舒適度的研究和預報也在逐步興起,但是絕大部分用來衡量熱舒適狀況的指數都是絕對指標。事實上,由于地域和季節(jié)上的差異,人體對環(huán)境的適應性會有變化,如南方人對炎熱的適應能力較北方人強,在同一地區(qū)夏季末人體對炎熱的適應能力比初夏時強。由于我國幅員廣闊,南北氣候差異顯著,人體對于熱環(huán)境的適應性也一定存在著明顯的差異,用統(tǒng)一的絕對指標來評價各地的熱舒適狀況,必然有其局限性。為了改進目前被廣泛應用的絕對舒適度指數的局限性,本文介紹一種可以用來衡量夏季暑熱程度的相對舒適度指數(RelativeComfortIndex,簡稱RCI)。該指數使用的資料是基于目前基本臺站逐日觀測資料,還包含了有些指標沒有考慮到的因子,如高溫天氣的持續(xù)天數、云量、有效累積溫度等。該指標與數值天氣預報結果相結合,可以用于夏季舒適度的預報,也可用于高溫熱浪對人體健康影響方面的研究。1年6—相對舒適度指數的建立本文采用上海龍華氣象站1956—1998年6—8月的逐日4次常規(guī)氣象資料,包括4個時次(02時、08時、14時、20時)的氣溫、露點和14時云量等要素。1.1顯溫公式的確定顯溫又稱熱指數(HeatIndex),是美國、加拿大、以色列等國家用于評價夏季人體舒適狀況的指標,該指標主要考慮溫度和濕度對人體舒適狀況的綜合影響。顯溫公式如下式所示:Tap=?2.653+0.994Ta+0.0153T2d。式中,Tap為顯溫(℃),Ta為氣溫(℃),Td為露點溫度(℃)。使用氣象臺站一日4個時次的溫度和露點可以計算出4個時次的顯溫,并可計算顯溫的平均值(Tap,mean)、最高值(Tap,max)和最低值(Tap,min)。1.2熱云量的確定根據前人在高溫熱浪與健康方面的研究成果,本文選用5個變量來構建衡量夏季暑熱程度的相對舒適度指數,分別為日最高顯溫(Tap,max)、日最低顯溫(Tap,min)、有效累積溫度(TCDD)、14時云量(C14)和熱日的連續(xù)天數(DCONS)。日最高顯溫對人體舒適狀況的影響效果是顯而易見的,但是最低顯溫也和最高顯溫一樣重要,最低顯溫可以衡量夜間的熱狀況,最低顯溫值高同樣會增加環(huán)境對人體的熱不舒適程度。有效累積溫度(TCDD)是衡量熱量累積的量,可由下式計算:TCDD=(Tap,02?20)+(Tap,08?20)+(Tap,14?20)+(Tap,20?20)。式中,Tap,02、Tap,08、Tap,14、Tap,20分別為02時、08時、14時、20時的顯溫。C14為14時云量。選擇14時云量是因為白天晴空通常是增加溫度和太陽輻射,會導致環(huán)境對人體的熱脅迫。而引入熱日的連續(xù)天數(DCONS)是因為考慮到持續(xù)炎熱對人體健康的不利影響。本文中熱日的定義為,如果當日最高顯溫值大于最高顯溫平均值一個標準差以上就認為該日為熱日,計算熱日的連續(xù)天數,如果熱日中斷,則重新計數。1.3變量頻率分布分別統(tǒng)計上海龍華氣象站1956—1998年夏季(本文取6月、7月、8月)5個變量的頻率分布,發(fā)現Tap,max、Tap,min、TCDD、DCONS頻率分布均可近似為β分布(以7月份為例,見圖1),而14時的云量由于變化較大可以采用經驗分布,也就是直接擬合而不采用近似和平滑(圖2)。1.4積頻率變化的范圍根據以上5個變量的分布函數和逐日各變量的值可以得到逐日各變量的累積頻率,累積頻率變化范圍為0~1.0(也即0%~100%),它表示小于該變量值出現的可能性(表1)。以上海1997年7月20日為例,當日最高顯溫值40.7℃的累積頻率為0.88。說明88%的日子其最高顯溫都在40.7℃以下。1.5單相關系數的確定對于逐日相對舒適度指數可以用5個變量的累積頻率加權求和所得,公式如下:IRC=W1×P(Tap,max)+W2×P(Tap,min)+W3×P(TCDD)+W4×P(DCONS)+W5×(1?P(C14))。式中,IRC為相對舒適度指數(RCI),P(Tap,max)、P(Tap,min)、P(TCDD)、P(DCONS)、P(C14)分別為逐日最高顯溫、最低顯溫、有效累積溫度、熱日連續(xù)天數和14時云量的累積頻率。W1~W5分別為各自的權重。由于云量的作用在晴天時比多云時的效應大,在統(tǒng)計評價中稱為低優(yōu)指標。通常要求所有指標的變化方向一致(即所謂同趨勢化),也就是將低優(yōu)指標轉化為高優(yōu)指標。本文的轉化方式為取1-P(C14)。為了確定權重,采用相關系數方法,利用上海疾病預防控制中心提供的1989—1998年夏季6—8月超額死亡數(共920個樣本)與P(Tap,max)、P(Tap,min)、P(TCDD)、P(DCONS)、P(C14)進行單相關分析。本文超額死亡數的計算為逐日死亡數減去同期常年平均死亡人數,超額死亡數與各變量的單相關系數分別為0.365,0.263,0.271,0.341,0.162,均通過顯著性檢驗(α<0.0001)。將單相關系數歸一化得到的權重分別為W1=0.26、W2=0.19、W3=0.19、W4=0.24、W5=0.12)。從公式可以看出相對舒適度指數(RCI)的范圍為0~1.0(也即0%~100%),IRC值越大,說明受高溫暑熱的影響越大。以上海1997年7月20日為例,該日相對熱指數綜合值為79%。2熱時時間的變化相對舒適度指數能夠反映出夏季不同月份同一氣象條件下的相對舒適程度。從6—8月各變量的頻率分布(圖3)可以看出,最高顯溫(Tap,max)、最低顯溫(Tap,min)、有效累積溫度(TCDD)和14時云量(C14)的頻率分布曲線在夏季6—8月是有差異的,除了14時云量分布外,6月份Tap,max、Tap,min、TCDD的頻率分布曲線和7月、8月相差特別明顯。這些差異可以說明同樣的氣象條件在7、8月份可能不會感覺熱不舒服,而在6月份卻會感覺明顯熱不舒服。相對舒適度指數能夠反映夏季暑熱程度以及與熱死亡的關系。本文計算了1989—1998年夏季(6—8月)逐日相對舒適度指數,并把相對舒適度指數最大的10d其天氣條件及相應的累積頻率與當日超額死亡數列于表2?？梢钥闯鱿鄬κ孢m度指數最大的10d一般都具有云量少、最高和最低顯溫比較高、熱日持續(xù)時間長和有效累積溫度高的特點。相對舒適度指數大也和較大的超額日死亡人數聯(lián)系在一起。表3為相對舒適度指數和暑熱程度的等級劃分,從表3可以看出相對舒適度指數能夠綜合反映當日的熱舒適狀況。當環(huán)境氣象條件處于舒適和涼的情況下,平均日超額死亡數為負值,也就是平均日死亡數低于常年同期平均。而當人體處于不同等級熱不舒適狀態(tài)時,相應的平均日超額死亡數明顯上升,特別是暑熱程度達到極端熱不舒適時,日超額平均死亡數達到最大。由此可以運用數值天氣預報和構建的相對舒適度指數進行夏季暑熱程度的預報。3對于適用于其他地區(qū)的預報人體在環(huán)境中的熱感覺是許多氣象要素綜合作用的結果,本文介紹的相對舒適度指數是能夠反映人體熱感覺在季節(jié)和空間上存在相對性的一種相對指標,還探討了相對舒適度指數與夏季熱死亡的關系,發(fā)現該指標能夠很好地反映夏季暑熱狀況,可以被用于日常的夏季暑熱程度的預報,而且可適用于其他許多環(huán)境問題的評價。事實上,目前廣泛使用的一些舒適度指標僅僅考慮了非常有限的要素(如溫度和濕度),且大多為經驗公式,且各地針對本地的實際情況進行了調整。如果這些絕對指標推廣到其他地區(qū)就會出現偏差。本文提出的相對舒適度指數是考慮了對于夏季炎熱程度相對重要的最大顯溫、最小顯溫、有效累積溫度、熱日的連續(xù)天數和反映中午