基于溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的中國人居環(huán)境氣候舒適期與適宜性研究

基于溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的中國人居環(huán)境氣候舒適期與適宜性研究

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀氣候是影響人類活動(dòng)和生活環(huán)境的重要因素。氣候適宜度是以人類機(jī)體與近地大氣之間的熱交換原理為基礎(chǔ),從氣象角度評(píng)價(jià)人類在不同氣候條件下舒適程度的一項(xiàng)生物氣象指標(biāo)。國外關(guān)于氣候適宜性的研究可以追溯到1920年英國學(xué)者洪特等提出的有效溫度,此后不同學(xué)者從不同角度提出了多種評(píng)價(jià)指標(biāo)。由Thom1959年提出并由Bosen進(jìn)一步發(fā)展的不適指數(shù)考慮了氣溫和相對(duì)濕度對(duì)人體的影響,被廣泛應(yīng)用于不同氣候條件下人體舒適度評(píng)價(jià);1966年Terjung提出并運(yùn)用舒適指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)對(duì)美國大陸的生理氣候適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià);1973年J.EOliver基于溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)探討了溫度、濕度、風(fēng)速和日照等氣候條件對(duì)人體舒適度的影響;1979年生物氣象學(xué)家Steadman從人體熱量平衡角度提出的感熱溫度亦備受人們關(guān)注。中國古代人們就已經(jīng)注意到了自然氣候變化對(duì)人類的影響,最初的研究主要是從醫(yī)學(xué)角度探討氣象要素及其四時(shí)變遷對(duì)人體健康的影響。20世紀(jì)80年代有學(xué)者逐漸開始從聚居角度探討氣候適宜性。90年代以來中國氣候適宜性研究主要以定量評(píng)價(jià)為主,少數(shù)學(xué)者在參考國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上提出了自己的評(píng)價(jià)模型,如張劍光等的氣候宜人度模型、呂偉林的體感溫度模型以及王遠(yuǎn)飛等的上海氣候舒適度指數(shù)等。國內(nèi)另有一些學(xué)者利用已有的評(píng)價(jià)模型對(duì)典型區(qū)域的氣候適宜性進(jìn)行了探討,如馮定原等根據(jù)Steadman的感熱溫度計(jì)算了中國各地四季感熱溫度的分布變化;王金亮等利用舒適指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)以及綜合舒適指數(shù)對(duì)香格里拉的旅游氣候適宜度以及昆明市人居環(huán)境的氣候適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià);劉沛林以有效溫度和舒適指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)中國鄉(xiāng)村人居環(huán)境的氣候舒適度進(jìn)行了研究;范業(yè)正、余珊以及劉清春等采用溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)分別對(duì)中國海濱旅游地的氣候適宜性、福建旅游資源的氣候適宜性以及中國44座主要城市的旅游氣候舒適性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。從國內(nèi)外研究進(jìn)展來看,氣候適宜性評(píng)價(jià)已成為人居環(huán)境和旅游資源評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。國內(nèi)目前的研究主要運(yùn)用已有的評(píng)價(jià)模型,綜合考慮溫度、濕度等氣候因子的影響,利用氣象資料對(duì)區(qū)域的氣候適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià),研究多集中在以自然地域和行政區(qū)域?yàn)樵u(píng)價(jià)單元的中小尺度,以柵格為單元在全國尺度上對(duì)中國氣候適宜性的評(píng)價(jià)研究尚不多見。中國地域遼闊,以柵格為評(píng)價(jià)單元可以更精確地反映氣候條件的區(qū)域差異。在系統(tǒng)梳理國內(nèi)外研究背景的基礎(chǔ)上,本文以1km×1km柵格為評(píng)價(jià)單元,運(yùn)用GIS技術(shù),計(jì)算了中國不同地區(qū)的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù),并對(duì)其空間分布規(guī)律及各月份氣候的舒適性進(jìn)行了分析;在此基礎(chǔ)上,以溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)為基礎(chǔ),計(jì)算了中國不同地區(qū)的氣候舒適期;最后對(duì)中國的氣候適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià),以期定量揭示中國不同地區(qū)的氣候適宜程度及其空間格局。2區(qū)域氣候資源適宜程度的確定氣候條件主要由氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)力、日照和降水等要素組成,在所有氣象指標(biāo)中,對(duì)人體影響最大的是氣溫、濕度、風(fēng)力和日照,它們直接關(guān)系到人體與外界環(huán)境的熱量與水分交換,4個(gè)要素的不同組合模式構(gòu)成了區(qū)域氣候資源適宜程度的本底特征。本研究選取上述4個(gè)要素為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),運(yùn)用在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)對(duì)中國氣候的適宜性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。2.1區(qū)域氣候適宜性評(píng)價(jià)溫濕指數(shù)(THI)由俄國學(xué)者的有效溫度演變而來,它的物理意義是濕度訂正以后的溫度,綜合考慮了溫度和濕度對(duì)人體舒適度的影響。風(fēng)效指數(shù)(K)由Bedford提出,Siple、Court以及Thomas-Boyd等人對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),它表征了在寒冷環(huán)境條件下,風(fēng)速與氣溫對(duì)裸露人體的影響,其物理意義是指皮膚溫度為33℃時(shí),體表單位面積的散熱量(kmol/m2·h)。THI和K的計(jì)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為月均攝氏溫度(℃);T是華氏溫度;f是月均空氣相對(duì)濕度(%);v是地面以上10m高度處的平均風(fēng)速(m/s);s是日照時(shí)數(shù)(h/d)。基于溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的區(qū)域氣候適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。本研究將區(qū)域的溫濕指數(shù)或風(fēng)效指數(shù)的生理氣候指標(biāo)分為9級(jí),當(dāng)?shù)燃?jí)為C、A、b或B時(shí),氣候適宜性為舒適;生理氣候指標(biāo)等級(jí)c、d、e對(duì)應(yīng)的為冷不舒適;D、E對(duì)應(yīng)的為熱不舒適。2.2人口密度柵格本文所采用的數(shù)據(jù)主要包含了中國月平均溫度、降水、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象資料和2000年全國人口密度柵格數(shù)據(jù)。氣象原始數(shù)據(jù)均來源于國家氣象信息中心,空間范圍包含了全國730個(gè)基準(zhǔn)臺(tái)站,時(shí)間范圍為1961年～2001年月均值資料。分析中我們采用ARC/GIS的地統(tǒng)計(jì)分析模塊,運(yùn)用梯度距離平方反比法對(duì)溫度、運(yùn)用樣條法對(duì)降水、運(yùn)用普通克里格法對(duì)相對(duì)濕度與風(fēng)速分別進(jìn)行了空間內(nèi)插,進(jìn)而獲取了全國1km×1km尺度各氣象要素的柵格圖層。2000年全國人口密度柵格數(shù)據(jù)由國家科學(xué)數(shù)據(jù)共享工程——地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供。該數(shù)據(jù)采用全國2000年分縣人口數(shù)據(jù),運(yùn)用基于格點(diǎn)生成法的人口密度空間分布模擬模型,通過融合凈第一性生產(chǎn)力、數(shù)字高程、城市規(guī)模和密度、交通基礎(chǔ)設(shè)施密度等數(shù)據(jù)集,模擬了1km×1km柵格尺度中國人口的空間分布,較好地反映了中國人口分布的空間格局與地域差異,應(yīng)用較為廣泛。在進(jìn)行運(yùn)算處理前,通過投影變換和ARC/INFO的重采樣等命令,我們將所有圖件的投影方式均轉(zhuǎn)換成正軸等面積雙標(biāo)準(zhǔn)緯線割圓錐投影,將所有柵格數(shù)據(jù)單元的大小統(tǒng)一為1km×1km。3中國月氣候適宜性評(píng)價(jià)根據(jù)公式(1)、公式(2),運(yùn)用ARC/GIS的空間分析模塊,本研究以1km×1km為基本單元,計(jì)算了中國12個(gè)月份的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù),并根據(jù)生理氣候分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1),確定了中國1km×1km柵格尺度逐月氣候的舒適性。本文以一月與七月為例,對(duì)中國溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的空間分布規(guī)律以及基于二者的月氣候適宜性進(jìn)行了分析與判斷。圖1為一月份和七月份中國1km×1km柵格的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)及其相應(yīng)的氣候舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果。由圖可知中國的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的總體分布趨勢(shì)是由東南沿海向西北內(nèi)陸遞減。一月份中國月均溫介于-45℃～25℃之間,全國大部分地區(qū)寒冷干燥。據(jù)溫濕指數(shù)判斷,一月份全國僅兩廣丘陵和藏南谷地為舒適區(qū),面積不足5%;風(fēng)效指數(shù)表明一月份四川盆地、云貴高原和東南丘陵為氣候舒適區(qū),面積216.86×104km2,占22.59%。七月份中國月均溫介于-18～36℃之間,全國大部分地區(qū)溫暖濕潤。就溫濕指數(shù)而言,七月份中國氣候舒適區(qū)主要集中在東北平原、內(nèi)蒙古高原、準(zhǔn)噶爾盆地和云貴高原等地區(qū),面積542.59×104km2,占全國的56.52%;風(fēng)效指數(shù)表明七月份中國大部分地區(qū)為氣候舒適區(qū),面積754.94×104km2,占78.64%;相對(duì)而言,基于風(fēng)效指數(shù)的一月份和七月份舒適區(qū)均偏大。4根據(jù)溫濕度指數(shù)和風(fēng)效率指數(shù)，中國生活環(huán)境的氣候適應(yīng)性評(píng)價(jià)4.1氣候舒適期的識(shí)別在對(duì)全國氣候舒適性進(jìn)行判斷的基礎(chǔ)上,本文在參考生理氣候舒適指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)的基礎(chǔ)上,計(jì)算了中國柵格尺度(1km×1km)的人居環(huán)境氣候舒適期。溫濕指數(shù)考慮的是溫度和濕度對(duì)人體舒適性的影響,風(fēng)效指數(shù)側(cè)重反映風(fēng)速、溫度和日照時(shí)數(shù)對(duì)人體的作用,因此我們認(rèn)為在某個(gè)月份中,溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)等級(jí)必須同為C、A、b或B時(shí)該月方為氣候舒適月,舒適月的持續(xù)時(shí)間即為氣候舒適期。該判斷過程可以通過ARC/GIS的空間分析模塊實(shí)現(xiàn)?；跍貪裰笖?shù)和風(fēng)效指數(shù)的中國1km×1km柵格的氣候舒適期如圖2和表2所示。由圖表可知,中國的氣候舒適期區(qū)域之間差異顯著,整體分布趨勢(shì)為由東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸變短,最高值分布在東南丘陵和云貴高原東南部,舒適期為12個(gè)月,最低值分布在青藏高原和天山山地等高寒地區(qū),為全年氣候不舒適區(qū)。氣候舒適期為5個(gè)月的地區(qū)面積最大,占全國總面積的29.14%;全年氣候不舒適區(qū)的面積次之,占全國的22.77%;舒適期在半年(6個(gè)月)以上的地區(qū)總面積326.40×104km2,占全國的34%,其中舒適期9個(gè)月以上地區(qū)占8.07%;舒適區(qū)為12個(gè)月的地區(qū)面積最小,比例不足全國的1%。4.2中國人居環(huán)境氣候適宜性區(qū)域分布在對(duì)中國1km×1km柵格尺度氣候舒適期進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,本文依據(jù)氣候舒適期的長短,參考平均溫度的特征值,對(duì)中國人居環(huán)境的氣候適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。我們將中國不同地區(qū)人居環(huán)境的氣候適宜程度分劃分為不適宜、臨界適宜、一般適宜、中度適宜和高度適宜5類:①第一類為不適宜地區(qū),全年氣候冷不舒適,年均溫度在0℃以下的高寒地區(qū);②第二類為臨界適宜地區(qū),氣候舒適期介于1～4個(gè)月之間,年均溫略高于0℃的偏冷地區(qū);③第三類為一般適宜區(qū),月舒適期為5～6個(gè)月,年均溫在10℃左右,月均溫介于-1～29℃之間的冷涼地區(qū);④第四類為比較適宜地區(qū),氣候舒適期介于7～8個(gè)月之間,年均溫在15℃左右,冬季略冷夏季略熱的地區(qū);⑤第五類為高度適宜地區(qū),氣候舒適期在9個(gè)月以上,年均溫在20℃左右。中國人居環(huán)境氣候適宜性分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。根據(jù)表3,我們完成了中國人居環(huán)境氣候適宜性評(píng)價(jià),結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,中國人居環(huán)境的氣候適宜程度整體表現(xiàn)為由東南沿海向西北內(nèi)陸、由高原、山地向丘陵、平原遞減的趨勢(shì)。在分析了中國人居環(huán)境氣候適宜性空間分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,本文將評(píng)價(jià)結(jié)果與2000年全國柵格人口密度數(shù)據(jù)進(jìn)行了疊置分析,以期揭示宏觀尺度上氣候條件對(duì)人口分布的影響。結(jié)果表明氣候條件是影響人口分布的重要因素,全國人口明顯集中分布于候適宜程度較高的地區(qū),具體而言(表4):(1)高度適宜地區(qū)面積77.44×104km2,接近全國的1/12;相應(yīng)人口為2×108,占全國總?cè)丝诘?5.77%,主要集中在東南丘陵、云貴高原南部、藏南谷地、四川盆地和長江中下游平原的局部地區(qū),人口密度264人/km2;(2)比較適宜地區(qū)面積136.92×104km2,約占全國的1/7;相應(yīng)人口為3.17×108,占全國人口總數(shù)的24.98%,主要集中在塔里木盆地西部、華北平原局部、山東半島、四川盆地、藏南谷地、云貴高原局部和江南丘陵,人口密度237人/km2;(3)一般適宜地區(qū)土地面積391.80×104km2,約占全國總面積的2/5;相應(yīng)的人口為7.28×108,占全國的3/5,主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地、柴達(dá)木盆地、內(nèi)蒙古高原、黃土高原、東北平原和長江中下游平原,人口密度190人/km2;(4)臨界適宜地區(qū)面積135.22×104km2,占全國的14.06%;相應(yīng)人口2052×104,占全國的1.62%;是氣候適宜與否的過渡區(qū)域,主要分布在青藏高原西南緣、柴達(dá)木盆地周邊、橫斷山區(qū)部分地區(qū)、天山山地區(qū)和大小興安嶺,人口密度16人/km2;(5)不適宜地區(qū)面積218.62×104km2,占全國的22.77%人口197×104,占全國的0.16%,主要分布在青藏高原腹地、橫斷山區(qū)以及祁連山和天山山地區(qū),人口密度不到1人/km2,多為高寒無人區(qū)。5氣候舒適的空間分布基于溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)模型,利用GIS技術(shù),計(jì)算了中國1km×1km柵格的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù),分析了其空間分布規(guī)律及逐月氣候的舒適性;根據(jù)月舒適性判斷結(jié)果,計(jì)算了中國柵格尺度人居環(huán)境的氣候舒適期;在此基礎(chǔ)上,參考人居環(huán)境氣候舒適期以及溫度等指指標(biāo),全面評(píng)價(jià)了中國人居環(huán)境的氣候適宜性,研究表明:(1)溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)空間分布的總體趨勢(shì)為由東南沿海向西北內(nèi)陸遞減;據(jù)溫濕指數(shù)判斷,一月份中國氣候舒適區(qū)面積不足5%,七月份中國氣候舒適區(qū)面積542.59×104km2,占全國的56.52%;風(fēng)效指數(shù)表明一月份和七月份中國氣候舒適區(qū)面積為216.86×104km2和754.94×104km2,分別占22.59%和78.64%;相對(duì)而言,基于風(fēng)效指數(shù)的氣候舒適區(qū)偏大;(2)中國人居環(huán)境的氣候舒適期地域差異顯著