周德宏，劉 帆，鄧朝顯，劉 艷，牛樂田，王 薇

(1.咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000； 2.陜西省西咸新區(qū)灃西新城開發(fā)建設(shè)(集團(tuán))有限公司，陜西西咸新區(qū) 710000)

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市用水量逐年增加，城市干旱缺水態(tài)勢加劇，北方城市旱季缺水尤為突出。與水資源總量短缺、分布不均的狀況相伴，汛期內(nèi)澇問題越來越突出，城市“看?！睂乙姴货r。為了轉(zhuǎn)變城市發(fā)展的舊觀念，探索新型城市發(fā)展模式，2013年起，西咸新區(qū)灃西新城因地制宜地探索實(shí)踐海綿城市建設(shè)。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水等，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用，提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能和減少城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生?？傮w來說，海綿城市有兩大功效，即防治城市內(nèi)澇以及雨水收集利用。

隨著人們對生活環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，人居氣候舒適性的研究顯得尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者對城市氣候舒適性的研究頗多，應(yīng)用較多的是綜合了氣溫、濕度、風(fēng)速、日照等要素的氣候舒適度指數(shù)[1-4]，大多集中在氣候旅游資源評價(jià)和區(qū)域人居環(huán)境的氣候適宜性分析[5-9]。針對西咸新區(qū)人居氣候舒適性評價(jià)研究的非常鮮見。西咸新區(qū)灃西新城海綿城市(簡稱西咸新區(qū)海綿城市)建設(shè)進(jìn)程中，城市下墊面類型從裸地到吸水地面，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型和升級，城市人居環(huán)境也發(fā)生了變化，進(jìn)而重布了人口分布。利用西安和西咸新區(qū)海綿城市2012—2017年的氣象資料，對比分析兩個區(qū)域的人體舒適度指數(shù)，綜合評價(jià)海綿城市的人體舒適度，為區(qū)域人口發(fā)展、能耗調(diào)控等提供了一定的指導(dǎo)意義。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

2015年1月19日，根據(jù)習(xí)近平總書記關(guān)于“加強(qiáng)海綿城市建設(shè)”的講話精神和中央經(jīng)濟(jì)工作會議要求，財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部下發(fā)通知，決定開展中央財(cái)政支持海綿城市建設(shè)試點(diǎn)工作。西咸新區(qū)積極實(shí)踐海綿城市建設(shè)模式，確定灃西新城核心區(qū)作為建設(shè)試點(diǎn)，建設(shè)“組團(tuán)布局、大開大合”的現(xiàn)代田園城市，通過生態(tài)海綿保育綠色本底、濕地海綿修復(fù)河湖水系、城市海綿建設(shè)都市綠網(wǎng)等全方位實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè)效果。

西咸新區(qū)灃西新城位于西安與咸陽兩市之間，總規(guī)劃面積143.17 km2，其中建設(shè)用地64 km2，非建設(shè)用地79 km2。該區(qū)域?qū)儆诎敫珊怠霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，四季冷暖干濕分明，年平均氣溫13.6 ℃，年降水量520～600 mm，降雨集中，6—9月降雨量占全年的61%，年均日照時數(shù)2 055 h。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用2012—2017年西安站氣象觀測資料和灃西新城內(nèi)的3個自動氣象監(jiān)測站(釣臺、大王、馬王)的逐日氣溫、降水量、平均風(fēng)速、日照時數(shù)和相對濕度等數(shù)據(jù)(見圖1)。3個自動氣象監(jiān)測站各要素的平均值代表西咸新區(qū)海綿城市的數(shù)據(jù)。為了確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，對個別缺失或不合理的氣象數(shù)據(jù)采用內(nèi)插法計(jì)算補(bǔ)充或糾正。數(shù)據(jù)來源于陜西省氣象局。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)的分布

1.3 研究方法

選取溫濕指數(shù)ITH(temperature humidity index)、風(fēng)效指數(shù)K(index of wind effect)和體感溫度Te(apparent temperature)來描述人體舒適度，通過對三種指標(biāo)的計(jì)算來評價(jià)西咸新區(qū)海綿城市人居環(huán)境舒適度。

1.3.1 溫濕指數(shù)ITH溫濕指數(shù)ITH也稱有效溫度，是指人們對環(huán)境溫度和濕度的感知程度[10]，反映不同溫度和濕度情況下人體感到舒適的程度，也是目前研究中最常見的一種評價(jià)指標(biāo)[11]。計(jì)算公式為

ITH=1.8T-0.55(1-HR)(1.8T-26)+32，

(1)

式中，T為環(huán)境溫度(℃)；HR為相對濕度(%)。公式中未考慮太陽直接照射的作用，因此只能表示人們在陰影環(huán)境下的感覺指標(biāo)。

1.3.2 風(fēng)效指數(shù)K風(fēng)效指數(shù)K是指人體皮膚在不同氣溫和風(fēng)速組合下對冷暖風(fēng)效的感受，既考慮體表的散熱，也考慮了太陽輻射后人體的增熱，它反映體表與周圍環(huán)境之間的熱交換，即體表單位面積的熱交換律(正值為吸熱，負(fù)值為散熱)[12]。其計(jì)算公式為

(2)

式中，T為環(huán)境溫度(℃)，v為環(huán)境風(fēng)速(m/s)，S為日照時數(shù)(h/d)。

1.3.3 體感溫度Te體感溫度Te是指在考慮了環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速等因素綜合影響后，人們感受到的溫度，它能定量表示人對冷熱的感受，也是人體舒適度的評價(jià)指標(biāo)[13]。其計(jì)算公式為

(3)

式中，T為環(huán)境溫度(℃)，v為環(huán)境風(fēng)速(m/s)，HR為相對濕度(%)。

1.3.4 人體舒適度劃分標(biāo)準(zhǔn) 參考文獻(xiàn)[9]，本研究將基于溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的人體舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為9個等級。ITH、K分級和對應(yīng)的人體舒適度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1(各指數(shù)取整數(shù)值)。

2 結(jié)果分析

2.1 舒適度時間變化

圖2為西咸新區(qū)海綿城市和西安的溫濕指數(shù)ITH和風(fēng)效指數(shù)K的月變化圖，可以看出，兩者的溫濕指數(shù)ITH和風(fēng)效指數(shù)K的月變化趨勢一致，均呈現(xiàn)單峰型分布。7月以前，ITH和K均隨氣溫的上升而上升，7月之后隨著氣溫的下降而下降。

表1 溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)

從單一指標(biāo)看，當(dāng)溫濕指數(shù)ITH在55～69時，人體感覺舒適。結(jié)合圖2，西咸新區(qū)海綿城市和西安的體感舒適的月份為5—6月和9—10月；6—8月體感由舒適變?yōu)闊幔?1月開始至次年3月由舒適變?yōu)槔洹６鶕?jù)風(fēng)效指數(shù)K，K在-599～-300時人體感覺舒適，體感舒適的月份為3—4月和10—11月。綜合考慮ITH和K，兩個地區(qū)在10月均屬于人居環(huán)境舒適區(qū)。

對比分析西咸新區(qū)海綿城市和西安的溫濕指數(shù)ITH和風(fēng)效指數(shù)K，兩者各月的ITH基本重合；雖然K各月的變化趨勢一致，但在冬季(11—2月)相差較大，尤其是1月和2月。為了進(jìn)一步研究西咸新區(qū)海綿城市和西安的人體舒適度差異的原因，對比分析兩個地區(qū)的月平均氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速和日照時數(shù)等氣象要素發(fā)現(xiàn)，兩個地區(qū)的氣溫和平均風(fēng)速相差不大(圖略)，主要差異體現(xiàn)在相對濕度和日照時數(shù)上(圖3)。西咸新區(qū)海綿城市各月的相對濕度均明顯高于西安，且春、秋、冬季比夏季明顯。西咸新區(qū)海綿城市4月和9月日照時數(shù)略低于西安，其余各月均大于西安，尤其是冬季，其中10月、12月、1月和2月西咸新區(qū)海綿城市比西安月日照時數(shù)分別高出14.4%、12.0%、13.6%和10.8%。

圖2 西咸新區(qū)海綿城市和西安的溫濕指數(shù)ITH和風(fēng)效指數(shù)K的月變化

圖3 西咸新區(qū)海綿城市和西安的月平均相對濕度和日照時數(shù)對比圖

2.2 體感溫度Te

根據(jù)公式(3)計(jì)算西咸新區(qū)海綿城市和西安的逐日體感溫度Te，確定兩個地區(qū)各月的舒適等級，統(tǒng)計(jì)出基于Te兩個地區(qū)人們不同感覺程度年平均日數(shù)(表3)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，西咸新區(qū)海綿城市全年感覺舒適日共有193 d，西安共有187 d，都主要集中在3—5月和9—11月，這個結(jié)果與溫濕指數(shù)ITH和風(fēng)效指數(shù)K的分析結(jié)果一致。西咸新區(qū)海綿城市全年有78 d為高溫不舒適日，西安有81 d，都主要集中在6—8月；西咸新區(qū)海綿城市全年有95 d寒冷不舒適日，西安有97 d，主要集中在11—12月和1—2月。相對于西安，西咸新區(qū)海綿城市的人體舒適度更高，夏季高溫不舒適日數(shù)和冬季寒冷不舒適日數(shù)均比西安少。

表3 基于Te的西咸新區(qū)海綿城市和西安不同舒適度等級日數(shù)

2.3 舒適期及特征分析

根據(jù)ITH和K兩個指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，利用文獻(xiàn)[14]方法確定西咸新區(qū)海綿城市各月綜合人體舒適程度。結(jié)果表明，西咸新區(qū)海綿城市人體舒適期長度為9個月，人體感覺非常舒適的時期在4月和10月，感覺很舒適的時期為5月、9月和11月；不舒適期有3個月，集中在1月、7—8月(最冷和最熱月)。

西咸新區(qū)海綿城市舒適期集中于春秋兩季，即屬于春秋舒適型氣候，夏季雨熱同期，冬季無嚴(yán)寒，全年舒適日達(dá)到193 d左右，適宜度較高。舒適期年內(nèi)分布呈“M”型，3—5月、9—11月屬于舒適期。4月和10月最舒適，氣溫、濕度適中，日照充足，風(fēng)速較??；5月、9月、11月舒適度次之。夏季(6—8月)高壓控制、云量稀少、日照強(qiáng)烈、持續(xù)高溫，室外人體感覺悶熱或炎熱，但西咸新區(qū)海綿城市通過多種手段建設(shè)現(xiàn)代田園城市，緩解熱島效應(yīng)，提高舒適度；冬季氣溫低、風(fēng)速較大，室外人體感覺較冷，舒適度較低，但海綿城市冬季供暖，室內(nèi)舒適度相對較好，具有優(yōu)良的宜居性。

3 結(jié)論

選取溫濕指數(shù)(ITH)、風(fēng)效指數(shù)(K)和體感溫度(Te)3個指標(biāo)，對比分析了西咸新區(qū)海綿城市和西安的人體舒適度變化，研究結(jié)果如下。

(1)西咸新區(qū)海綿城市和西安的溫濕指數(shù)ITH和風(fēng)效指數(shù)K月變化均呈單峰型分布，7月之前ITH和K均隨時間上升，7月之后隨之下降。兩個城市的溫濕指數(shù)ITH和風(fēng)效指數(shù)K月變化趨勢基本一致，但體感舒適的月份有所偏差，ITH指標(biāo)顯示體感舒適的月份為3—4月和10—11月；K指標(biāo)結(jié)果顯示體感舒適月份為5—6月和9—10月，主要是由于兩個地區(qū)的相對濕度和日照時數(shù)差異較大。

(2)海綿城市全年的清涼舒適日有193 d，西安有187 d，都主要集中在3—5月和9—11月。海綿城市全年有78 d左右為高溫不舒適日，都主要集中在6—8月；有95 d為寒冷不舒適日，主要集中在11—12月和1—2月。相對于西安，海綿城市的人體舒適度更高，夏季高溫不舒適日數(shù)和冬季寒冷不舒適日數(shù)均比西安少。

(3)海綿城市人居環(huán)境氣候舒適期長度為9個月，集中于春秋兩季，即屬于春秋舒適型氣候，舒適期年內(nèi)分布呈“M”型，季節(jié)明顯。人體感覺非常舒適的時期在4月和10月，感覺很舒適的時期為5月、9月和11月；不舒適期長度為3個月，集中在1月、7—8月。

(4)由于本研究只考慮了氣溫對海綿城市氣候舒適度影響的初步結(jié)果，今后在分析海綿城市氣候舒適度時除了考慮氣溫外，還應(yīng)引進(jìn)考慮風(fēng)速、濕度、太陽輻射、氣壓對人體舒適度影響的指標(biāo)，從而提高模型的精確性。