張 雪，楊舒暢，張立波，褚永逵，董海麗，謝浩然

（1.浙江省紹興市越城區(qū)氣象局，浙江 紹興312000；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010019；3.浙江省紹興市氣象局，浙江 紹興312000）

氣候舒適度是一項(xiàng)生物氣象指標(biāo)［1］，該指標(biāo)以人體與近地大氣之間熱交換為原理基礎(chǔ)，從氣象學(xué)角度評價(jià)人體在不同氣候條件下的舒適感。作為人類生活最重要的環(huán)境因子，氣候舒適度可直接影響到城市居民的身體健康、生活方式和工作效率等方面，并對交通、農(nóng)業(yè)、旅游等各行各業(yè)都有著重要的影響，從而也會間接影響城市的運(yùn)轉(zhuǎn)成本和發(fā)展速度［2］。所以，城市氣候舒適度的研究具有重要意義。

自20世紀(jì)中期以來，國內(nèi)外學(xué)者一直致力于氣候舒適評價(jià)模型的研制，并制定了如風(fēng)寒指數(shù)（Wind Chill Index，WCI）［3］、溫濕指數(shù)（Temperature Humidity Index，THI）［4］、有效溫度（Effective Temperature，ET）［5］、NOAA炎熱指數(shù)（Heat Index，HI）［6］等各種評價(jià)模型，為完善氣象服務(wù)提供了參考依據(jù)。但不同城市的氣候特征和人群體質(zhì)差異顯著，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪艿降赜?、季?jié)、人種等因素局限，不可避免地帶有主觀和經(jīng)驗(yàn)色彩［1］。為了克服模型在時(shí)間和空間上的局限性，20世紀(jì)60年代后期，研究人員逐漸開發(fā)出基于人體熱交換機(jī)制的舒適度模型，包括如體感溫度（Perceived Temperature，PT）［7］等一系列氣候舒適度模型［8-10］。其中，熱氣候指數(shù)（Universal Thermal Climate Index，UTCI）模型是在我國南方城市舒適度研究中應(yīng)用最為廣泛的一種新型戶外熱環(huán)境評價(jià)方法［11］，該模型結(jié)合了體溫調(diào)節(jié)模型和自適應(yīng)穿衣模型，不僅應(yīng)用了氣象學(xué)和生理學(xué)的理論知識，還綜合了醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多領(lǐng)域的最前沿的專業(yè)知識。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，城市熱島效應(yīng)也愈加嚴(yán)重，夏季極端高溫日數(shù)增加，持續(xù)時(shí)間增長，夏季高溫不舒適日數(shù)也呈現(xiàn)明顯增加趨勢［11-14］。更有研究指出，近年來夏季UTCI在我國所有城市中均呈現(xiàn)出上升趨勢，其中，年均UTCI最大的上升幅度就在長江三角洲，高達(dá)0.6~0.8℃·（10 a）-1［1］。紹興市是長江三角洲城市群中的重要城市，也是具有江南水鄉(xiāng)特色的文化和生態(tài)旅游城市，政府及公眾對有效的氣候舒適度評價(jià)需求明顯［15］。所以，對紹興市氣候舒適度的評價(jià)研究十分必要。筆者利用綜合地面氣象觀測數(shù)據(jù)和UTCI模型，評價(jià)分析紹興市近30 a夏季氣候舒適度特征，以期為今后健康氣象服務(wù)提供舒適度指數(shù)參考，為城市綠色科技發(fā)展提供氣象數(shù)字化支撐依據(jù)［16］。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文中所用地面氣象觀測數(shù)據(jù)為紹興市基本站（柯橋站）1990—2020年6—9月的逐日氣象要素?cái)?shù)據(jù)，包括日平均氣溫（℃）、日最高氣溫（℃）、日最低氣溫（℃）、日平均風(fēng)速（m·s-1）、日照時(shí)數(shù)（h）、日平均相對濕度（%）和水汽壓（hPa）。數(shù)據(jù)均來源于紹興市自動站觀測數(shù)據(jù)庫。

1.2 UTCI模型

UTCI是在標(biāo)準(zhǔn)參照條件環(huán)境下，人體生理響應(yīng)最為敏感的溫度［1］。UTCI模型是2009年在德國Cost Action 730國際生物氣象學(xué)會上提出的，主要包含了多節(jié)點(diǎn)人體熱調(diào)節(jié)模型［17］和自適應(yīng)穿衣模型［18］兩大模塊，是當(dāng)前最具普適性、考慮因素最全面的人體舒適度模型。UTCI模型見圖1［1］。

圖1UTCI模型Fig.1 The universal thermal climate index model

由圖1可知，模型通過計(jì)算氣溫、水汽壓或相對濕度、風(fēng)速及平均輻射溫度，依據(jù)人體的熱生理響應(yīng)，進(jìn)而模擬計(jì)算出人體所承受的熱應(yīng)力（高溫環(huán)境對人體產(chǎn)生的熱負(fù)荷）。筆者參照相關(guān)研究結(jié)果［19］將夏季UTCI熱應(yīng)力分為4個等級（表1），此外，因計(jì)算中平均輻射溫度不能從資料中直接獲取，遂通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)。

式中，Tmrt為平均輻射溫度，t為日平均氣溫（℃）。

式中，R為日總輻射，S0為天文輻射，S1為日照百分率，D為日較差，A、B、C為根據(jù)研究城市的地理位置和輻射特征而定的參數(shù)系數(shù)。根據(jù)參考文獻(xiàn)［11］，紹興市參考值分別為A=0.524、B=0.053、C=0.063。

表1UTCI熱應(yīng)力等級劃分［18］Tab.1 UTCI thermal stress classification

1.3 高溫不舒適日

因人體會對長期所處的環(huán)境產(chǎn)生一種適應(yīng)力，所以不同氣候背景下的居民所能承受的高溫閾值是不同的，進(jìn)而采用同一評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到的結(jié)果值仍需進(jìn)一步討論［11］。筆者在所研究城市中選取近30 a高于33.0℃的UTCI值進(jìn)行排列，并選取第50百分位數(shù)作為臨界值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，紹興市UTCI臨界值為34.3℃，以此為基準(zhǔn)，筆者將UTCI值高于34.3℃的日子作為高溫不舒適日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用于反映近30 a來紹興市遭遇高溫天氣的嚴(yán)重程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 紹興夏季熱氣候指數(shù)UTCI基本特征

從1991—2020年紹興市6—9月的平均熱氣候指數(shù)來看（圖2），近30 a紹興市夏季平均UTCI變化范圍在23.7~28.6℃，其中，2001—2010年變化幅度較小，其余年際間變化幅度相對較大，整體上呈現(xiàn)緩慢增大趨勢。2013年平均UTCI最大，為28.6℃；1999年平均UTCI最小，為23.7℃。

圖2 平均UTCI年際變化Fig.2 The interannual variation of mean UTCI

近30 a紹興市6—9月的平均UTCI分別為24.2、29.5、28.3、23.3℃。由此可見，7月和8月是UTCI高值期，達(dá)到了較強(qiáng)熱應(yīng)力值（UTCI范圍在26.0~32.0℃），說明這2個月中高溫環(huán)境對人體將產(chǎn)生較強(qiáng)的熱負(fù)荷。將研究時(shí)間以10 a為界劃分為3個時(shí)間段，并對每個時(shí)段按月份做統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，2001—2010年6、7和9月平均UTCI均高于其他2個時(shí)段；8月平均UTCI在2011—2020年時(shí)段中最高，每10 a平均UTCI指數(shù)以7月和8月的增幅最為明顯，9月份變化最?。▓D3）。同時(shí)，每月最高UTCI值均達(dá)到了強(qiáng)熱應(yīng)力指標(biāo)（圖4），在較強(qiáng)熱負(fù)荷的7、8月，最高UTCI值呈現(xiàn)逐時(shí)段增加趨勢，約以1.0℃·（10 a）-1的增幅增大。這表明，在當(dāng)前情況下，極端高溫天氣將頻繁發(fā)生，人體需要應(yīng)對的熱負(fù)荷環(huán)境愈加嚴(yán)峻。

圖3 6—9月平均UTCI統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 The statistical figure of mean UTCI from June to September

圖4 6—9月最高UTCI統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 The statistical figure of maximum UTCI from June to September

2.2 紹興夏季高溫不舒適日基本特征

考慮人體地域適應(yīng)性因素的影響，把UTCI高于34.3℃的當(dāng)天作為高溫不舒適日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)近30 a紹興市夏季高溫不舒適日數(shù)在0~28 d之間，并呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，約以3.5 d·（10 a）-1的增幅增加（圖5），這與其他學(xué)者在南方城市的研究結(jié)果基本一致［14］。

圖5 高溫不舒適日數(shù)年際變化Fig.5 The interannual variation of high temperature uncomfortable days

由圖5可見，1991—2000年高溫不舒適日數(shù)約以4 a為周期震蕩上升，即4 a出現(xiàn)一次極大值，分別為1994年15 d和1998年16 d；2001—2010年（除2002年）間不舒適日數(shù)明顯較前10 a增多，但變化不顯著，平均每年12 d；而2011—2020年又出現(xiàn)了以4 a為周期震蕩上升的變化趨勢，極大值分別是2013年28 d和2017年23 d。分析發(fā)現(xiàn)，紹興市2001—2010年夏季平均氣溫升幅明顯大于1991—2000年和2011—2020年，這意味著當(dāng)年際間增溫明顯時(shí)，城市高溫不舒適日數(shù)變化趨勢反而不明顯。21世紀(jì)初，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的社會背景下，城市熱島增溫效應(yīng)顯著增強(qiáng)，但隨著人民對生態(tài)治理重要性的逐步認(rèn)識［20］，在全球氣溫增溫幅度相對平緩的氣候背景下［21］，筆者認(rèn)為紹興市夏季高溫不舒適日數(shù)在未來一段時(shí)間內(nèi)將有著明顯的年際變化，并會出現(xiàn)約以4 a為周期震蕩上升的規(guī)律。

此外，紹興市高溫不舒適日數(shù)平均開始于7月上旬，基本集中于7、8月份，最早開始于6月中下旬，結(jié)束時(shí)間在8月下旬（表2）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高溫不舒適日于7月份開始年數(shù)占比66.7%，于8月份結(jié)束年數(shù)占比74.1%，最晚結(jié)束日期為于8月28日（2017年）。同時(shí)，因城市居民對連續(xù)的高溫不舒適日更加難以忍受，對近30 a紹興市夏季高溫不舒適過程日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，紹興市高溫不舒適過程一般持續(xù)時(shí)間為1~3 d，占比83.3%，大于7 d的超長高溫不舒適過程發(fā)生頻次較少，且皆發(fā)生于2000年之后（表2），最長發(fā)生在2017年7月15日~7月28日，長達(dá)14 d。

表2 高溫不舒適日日數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 The statistics of high temperature uncomfortable days

總體趨勢上看，21世紀(jì)后紹興市夏季高溫不舒適情況明顯增強(qiáng)。紹興市近30 a高溫不舒適度日數(shù)為274 d，平均每年9 d，表現(xiàn)為后20 a（2001—2020年）較前10 a（1991—2000年）明顯增多，增幅分別達(dá)105.7%、120.8%。同時(shí)，高溫不舒適日次數(shù)和連續(xù)高溫不舒適日數(shù)也呈現(xiàn)如此規(guī)律，這都說明21世紀(jì)后紹興市夏季高溫不舒適情況明顯增強(qiáng)。

2.3 評價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

中國氣象局將日最高氣溫≥35℃的當(dāng)天定義為高溫日，這一定義被廣泛運(yùn)用到高溫?zé)崂说难芯恐校?1，14］。為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的合理性，將UTCI模型下統(tǒng)計(jì)出的高溫不舒適日數(shù)和高溫日數(shù)進(jìn)行對比分析（圖6）。結(jié)果表明，二者年際變化趨勢基本一致，即高溫日數(shù)與高溫不舒適日數(shù)基本呈現(xiàn)同步上升和下降的趨勢，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7以上（P<0.01）。由此可見，高溫不舒適度與氣溫密切相關(guān)，前人研究也指出，人體氣候舒適度與氣溫相關(guān)性最大［22］，本文得出的結(jié)論與此基本一致。同時(shí)，高溫不舒適日數(shù)與高溫日數(shù)也存在一定的差異，這主要可能有2方面的原因，一是考慮濕度和輻射的差異，二是考慮UTCI指標(biāo)計(jì)算要素更加復(fù)雜，對城市舒適度評價(jià)的諸多研究結(jié)果皆有類似結(jié)論［14］。綜上，相較于大眾所認(rèn)知的高溫評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，基于UTCI模型的標(biāo)準(zhǔn)更符合人體特點(diǎn)和區(qū)域化特征，其結(jié)果更具有參考和應(yīng)用價(jià)值。

圖6 高溫不舒適日數(shù)和高溫日數(shù)對比圖Fig.6 Comparison of high temperature uncomfortable days and high temperature days

3 結(jié)論

3.1 近30 a紹興市夏季平均UTCI呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，平均每10 a的UTCI的增幅以7月和8月最為明顯，9月份變化最小。7、8月的最高UTCI的增加速率約為1.0℃·（10 a）-1。

3.2 紹興市夏季高溫不舒適日數(shù)呈明顯增加趨勢，約以3.5 d·（10 a）-1的增幅增加，并呈現(xiàn)約以4 a為周期震蕩上升的年際變化規(guī)律。

3.3 紹興市高溫不舒適日數(shù)集中于7、8月份，最早開始于6月中下旬，平均開始于7月上旬，結(jié)束于8月下旬。高溫不舒適過程一般持續(xù)時(shí)間為1~3 d，占比83.3%，大于7 d的超長高溫不舒適過程發(fā)生頻次較少，且皆發(fā)生于2000年之后。

3.4 21世紀(jì)后，紹興市夏季高溫不舒適情況明顯增強(qiáng)。紹興市近30 a不舒適度日數(shù)為274 d，平均每年9 d，表現(xiàn)為后20 a（2001—2020年）較前10 a（1991—2000年）明顯增多，增幅達(dá)一倍以上，高溫不舒適日次數(shù)和連續(xù)高溫不舒適日數(shù)也呈現(xiàn)如此規(guī)律。

3.5 高溫不舒適日數(shù)與高溫日日數(shù)年際變化趨勢基本一致，且具有較明顯的線性關(guān)系。利用熱氣候指數(shù)（UTCI）評價(jià)城市夏季舒適度具有一定的指征意義。