岳本江，郭玉濤，李 強(qiáng)，李 斌，張辛忻，李永紅，王 冬

(1.黃河上中游管理局 西安黃河規(guī)劃設(shè)計有限公司，西安 710021；2.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司環(huán)保管理處，陜西 神木 719315；3. 神華準(zhǔn)能集團(tuán)公司環(huán)境保護(hù)部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017000；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌712100；5. 河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 開封 475004)

氣候由氣溫、濕度、風(fēng)速、日照、降水等多個要素組成[1]，且各要素間相互關(guān)聯(lián)[2]。作為多種氣候要素的綜合反映，氣候舒適度是從氣象角度分析評價不同天氣或氣象條件下，人體舒適程度而制定的氣象指標(biāo)，也是人類活動和居住環(huán)境重要的影響因素，很大程度上決定著人居環(huán)境的舒適與否[14]，已成為對氣候資源進(jìn)行科學(xué)評價的重要指標(biāo)。隨著科技的飛速發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對人居生活環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高，人居環(huán)境及氣候舒適狀況逐漸成為生產(chǎn)生活關(guān)注的重點(diǎn)，尤其在全球氣候變化，影響氣候舒適度的氣候因子如氣溫、降水、植物等已發(fā)生一定程度改變的情況下，氣候舒適度也逐步成為民眾選擇居住環(huán)境、衡量宜居環(huán)境的重要參考指標(biāo)，因此，開展區(qū)域氣候舒適度研究與評價更具有重要的科研與社會意義。國內(nèi)外諸多學(xué)者對氣候舒適度開展了大量的研究工作[4-7]，從不同角度給出了多種評價指標(biāo)。早在1966年，舒適性指數(shù)(Comfort Index)和風(fēng)效指數(shù)(Wind Effect Index)概念[3]就被提出，用以定量研究氣候特征。隨后，綜合舒適度、著衣指數(shù)、相對舒適度指數(shù)等一系列新的指標(biāo)被逐漸引入，在氣候舒適度評價方面形成了多方向的研究，相關(guān)結(jié)論被廣泛應(yīng)用于工作環(huán)境的醫(yī)學(xué)檢驗[8]、氣候資源評估[9]、旅游資源區(qū)劃[10]等領(lǐng)域?？傮w上這些研究多集中在某一城市或旅游景區(qū)，針對煤礦礦區(qū)氣候舒適度評價的研究目前鮮有報道。

神東煤炭集團(tuán)公司位于晉陜蒙三省區(qū)交界，是國家能源集團(tuán)的骨干煤炭企業(yè)之一。礦區(qū)地處陜蒙接壤區(qū)中心地帶，鄂爾多斯高原與黃土高原的地貌交接地帶，區(qū)域內(nèi)過渡性特征明顯的地貌、土壤，種類單調(diào)的原始植被，以及水力、風(fēng)力、重力等多種侵蝕營力并存的條件，形成了三相侵蝕交錯的時空格局，以及生態(tài)環(huán)境具有極高的波動性、脆弱性、敏感性和典型性，是全國水土流失重點(diǎn)監(jiān)督區(qū)與治理區(qū)。礦區(qū)開發(fā)與治理初期，水資源匱乏、植被單一、水土流失嚴(yán)重和風(fēng)沙問題突出，人居環(huán)境惡劣，給企業(yè)發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。神東公司面對大規(guī)模煤炭開采與脆弱生態(tài)環(huán)境的突出矛盾，始終堅持開發(fā)與治理并重，結(jié)合自身生產(chǎn)建設(shè)與區(qū)域自然環(huán)境特點(diǎn)，不斷創(chuàng)新水土保持、生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護(hù)、清潔生產(chǎn)技術(shù)，創(chuàng)新了“三期三圈”[11]水土保持生態(tài)防治理念、模式與配套技術(shù)，做到了主動防治、系統(tǒng)防治，大幅度降低了開采擾動對生態(tài)環(huán)境的影響，同時利用地表生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力，輔以人工工程、植被措施，顯著增強(qiáng)了區(qū)域生態(tài)功能，使遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)或向良性循環(huán)方向發(fā)展，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸變好，打造了宜人的生態(tài)環(huán)境[12-13]，實現(xiàn)了人才、環(huán)境、效益的良性循環(huán)，為區(qū)域生態(tài)保護(hù)與黃河流域高質(zhì)量發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。為科學(xué)準(zhǔn)確評價神東礦區(qū)人居環(huán)境、氣候資源與特征，我們在收集整理神東礦區(qū)2000-2018年氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過不同的氣候舒適度指標(biāo)，定量分析與評價了神東礦區(qū)近20年來的氣候舒適程度，劃分了礦區(qū)氣候舒適期。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)是神府東勝礦區(qū)的簡稱，現(xiàn)為我國最大的井工煤礦開采地，其中神東煤炭集團(tuán)布爾臺，是世界第一大井工煤礦。神東礦區(qū)主要礦區(qū)位于陜西省榆林市北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市南部，礦區(qū)范圍E109°51′～110°46′，N38°52′～39°41′，中心北距鄂爾多斯市中心約66.5 km，西距伊金霍洛旗府阿鎮(zhèn)約34 km，南距神木縣城約47 km。礦區(qū)氣候夏季歷時短，降雨集中，冬季氣候干燥，寒冷漫長，屬典型的溫帶半干旱大陸性氣候。根據(jù)2000-2018年氣象資料，礦區(qū)多年平均降水量404 mm，降水年際、年內(nèi)變化大，年最大年降水量達(dá)到647 mm(2016年)，最小年249 mm(2000年)，降水集中在6-9月，占全年的75%以上；年平均氣溫8.43 ℃，年平均風(fēng)速2.15 m·s-1，大于5 m·s-1的起沙風(fēng)達(dá)60 d以上。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取2000-2018近20 a神東礦區(qū)周圍包頭、呼和浩特、東勝、河曲、榆林、神木、五寨、興縣8個氣象觀測站點(diǎn)(圖1)的降水量(P)、氣溫(T)、相對濕度(RH)、風(fēng)速(V)、日照時數(shù)(h)日值數(shù)據(jù)(國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺https://data.cma.cn/)，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整編格式，分別統(tǒng)計各氣象站P、T、RH、V、h不同時間尺度的變化特征，在GIS平臺下對站點(diǎn)年均數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到神東礦區(qū)各氣象要素面上統(tǒng)計年均值。

圖1 神東礦區(qū)中心區(qū)地理位置圖

1.3 研究方法

1.3.1 舒適度指數(shù) 綜合參考以往相關(guān)研究，本評價選取溫濕指數(shù)[15]、風(fēng)效指數(shù)[16]、著衣指數(shù)[17]和綜合舒適度[18]為評價指標(biāo)，并結(jié)合綜合舒適度的分級(表1)，參照評價標(biāo)準(zhǔn)[16]對神東礦區(qū)氣候舒適度進(jìn)行綜合評價，據(jù)此判定礦區(qū)各月份氣候舒適度，以此劃分神東礦區(qū)氣候舒適期。

1.3.2 年綜合舒適指數(shù) 綜合氣候舒適性評價模型作為一個綜合評價指數(shù)，在地區(qū)氣候舒適狀況研究中得到了廣泛的應(yīng)用。但在多指標(biāo)評價體系中，由于各評價指標(biāo)性質(zhì)或表征的含義不同，通常具有不同的量綱、范圍乃至數(shù)量級，如在本研究中，風(fēng)效指數(shù)與著衣指數(shù)取值范圍分別為-520.84～-304.82、1.61～1.73。當(dāng)各指標(biāo)間的數(shù)量級水平相差較大時，若直接采用原始指標(biāo)值進(jìn)行分析，會突出絕對數(shù)值較高的指標(biāo)在綜合分析中的作用，相對削弱數(shù)值水平較低指標(biāo)的作用。為了保證結(jié)果的可靠性，本次評價先對原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

表1 各類舒適度指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)及賦值

(1)

利用標(biāo)準(zhǔn)化后的氣候舒適度指數(shù)，本評價提出計算神東礦區(qū)年綜合舒適指數(shù)XCCI*方法為：

XCCI*=0.6XTHI*+0.3XWEI*+0.1XICL*

(2)

式中，XTHI*、XWEI*、XICL*分別為標(biāo)準(zhǔn)化后的年溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)、穿衣指數(shù)，根據(jù)專家打分及主層次分析，確定因子權(quán)重系數(shù)分別為0.6、0.3、0.1，并以該標(biāo)準(zhǔn)化的氣候舒適度指數(shù)分析神東礦區(qū)氣候舒適度指數(shù)的年際變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣候因子年內(nèi)分布

神東礦區(qū)氣象要素年內(nèi)變化明顯(圖2)。其中，降水(圖2-a)年內(nèi)分配不均，主要集中在7-8月，接近全年降水量的一半，汛期(6-9月)降水占全年降水量的比例超70%。溫度(圖2-b)變化與降水類似，全年溫度變化由-9.3 ℃～23.4 ℃，月平均溫度相差較大且水熱同期，最高降水量與最高溫度均出現(xiàn)在7月。相對濕度(圖2-d)受降水及溫度影響較大，年內(nèi)變化波動明顯，8月最高(65%)，4月最低(35%)。礦區(qū)風(fēng)速(圖2-d)全年存在兩個較大的時期，分別為4月與11月，月均風(fēng)速分別為2.80 m·s-1、2.10 m·s-1。神東礦區(qū)地處年降水量400 mm左右的水蝕風(fēng)蝕交錯帶，礦區(qū)風(fēng)速年內(nèi)變化規(guī)律與水蝕風(fēng)蝕交錯帶風(fēng)速特征相符[19]。

圖2 神東礦區(qū)月平均降雨(a)、氣溫(b)、相對濕度(c)及風(fēng)速(d)

2.2 年際氣候舒適度指數(shù)變化

利用插值計算出的神東礦區(qū)2000-2018年氣候舒適度指數(shù)，統(tǒng)計近20 a以來溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)、著衣指數(shù)與綜合舒適指數(shù)的年際變化，并利用趨勢線分析神東礦區(qū)氣候舒適度指數(shù)的年際變化規(guī)律如圖3。從中可看出，礦區(qū)多年平均溫濕指數(shù)為50.02，變化范圍48.6(2003年)～50.81(2013年)，年際變化較小且呈微弱的上升趨勢(圖3-a)，按照表1溫濕指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)，神東礦區(qū)多年平均溫濕狀況處于偏冷，較不舒適的程度(45～55)。礦區(qū)多年平均風(fēng)效指數(shù)為-481.93，變化范圍-521.71(2016年)～-444.72(2001年)，具有一定的年際變化且呈微弱逐年下降趨勢(圖3-b)，按照表1中風(fēng)效指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)，神東礦區(qū)多年平均風(fēng)效指數(shù)令人感覺舒適(-600～-300)。礦區(qū)多年平均著衣指數(shù)為1.75，變化范圍1.68(2001年)～1.82(2012年)，呈逐年升高趨勢(圖3-c)，按照表1中著衣指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)，神東礦區(qū)多年平均體感較涼，適宜著冬季常用便服(1.5～1.8)。綜合舒適指數(shù)(圖3-d)結(jié)果顯示，神東礦區(qū)近20 a來綜合舒適指數(shù)有逐步提升的趨勢。

圖3 神東礦區(qū)溫濕指數(shù)(a)、風(fēng)效指數(shù)(b)、著衣指數(shù)(c)和綜合舒適指數(shù)(d)年際變化

氣候舒適度指數(shù)受氣溫、風(fēng)速、相對濕度、日照時數(shù)等環(huán)境氣象因子綜合影響，各種氣象要素協(xié)同對氣候舒適度產(chǎn)生影響。神東礦區(qū)綜合舒適指數(shù)的提升，除取決于礦區(qū)范圍內(nèi)氣候因子本身外，更與其大規(guī)模的采前、采中、采后生態(tài)環(huán)境治理，改善原本惡劣的自然條件工作密不可分，近20 a以來生態(tài)環(huán)境趨于穩(wěn)定，氣候適宜性越發(fā)彰顯。

2.3 逐月氣候舒適度指數(shù)變化

表2顯示，礦區(qū)多年平均的溫濕指數(shù)月度變化呈“山”字型變化，具體表現(xiàn)為溫濕指數(shù)在5、7、9月較高。礦區(qū)全年無炎熱及悶熱的人體感覺，人體感覺最舒適的月份為6月，7月因較高的溫濕指數(shù)造成人體體感偏熱，僅為較舒適的狀態(tài)，8、9月可能由于天氣轉(zhuǎn)涼，人體轉(zhuǎn)而感覺到舒適。由此可見，人體感覺從溫濕指數(shù)上體現(xiàn)出雙峰變化的特征，表明神東礦區(qū)一年中有兩個舒適的時期，分別為5、6月和8、9月。

表2 神東礦區(qū)各月氣候舒適度指數(shù)及分級

神東礦區(qū)風(fēng)效指數(shù)全年變化為單峰倒“U”型，7月風(fēng)效指數(shù)最高，1、12月的風(fēng)效指數(shù)較低，風(fēng)效指數(shù)與當(dāng)月的平均氣溫間存在較為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。全年人體并無酷冷及炎熱的感覺，氣候相對較為溫和。風(fēng)效指數(shù)指示的年體感最舒適月份為4、9、10月的春秋兩季，年人體感覺變化為雙峰型，7月可能由于氣溫較高，人體感覺較為暖熱而并非最舒適，該結(jié)果與溫濕指數(shù)結(jié)果相同。

神東礦區(qū)著衣指數(shù)變化全年呈“U”型，最低著衣指數(shù)出現(xiàn)在7月，僅為0.66，適宜衣著建議為輕便的夏裝，12月至次年的2月為全年最寒冷的月份，相應(yīng)適宜衣著為羽絨服或皮毛衣。從著衣指數(shù)分級來看，神東礦區(qū)5、6、8、9月均為最適的著便裝季節(jié)，4月與5月之間，9月與10月之間可能存在因換季導(dǎo)致的溫度驟變，造成著衣指數(shù)跳級，建議礦區(qū)居民及職工在這兩個時期酌情增減衣物。

從各氣候舒適度指數(shù)月度變化可以看出，指數(shù)絕對值的高度并不代表人體感覺最為舒適，如7月的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)，該月的兩類指數(shù)均為全年極值，但帶給人體的感覺卻僅僅是“C”級。不同指數(shù)計算的基礎(chǔ)為各類氣象因子，溫濕指數(shù)受溫度及相對濕度影響，風(fēng)效指數(shù)則取決于風(fēng)速、氣溫及日照時數(shù)，著衣指數(shù)的影響因素為溫度，風(fēng)速、太陽高度及輻射情況。定義人體感覺的舒適與否，不應(yīng)單獨(dú)考慮某一個氣象要素的高低，人體舒適度是各個氣象要素共同作用的結(jié)果，一旦某一要素超出了人體感覺的最適范圍，則該氣象因素便會成為影響氣候舒適度的限制性因素，如7月相對較高的氣溫，或水熱同期造成的濕度過大。

2.4 氣候舒適度評價

由神東礦區(qū)2000年以來多年月均綜合氣候舒適指數(shù)計算結(jié)果(表3)來看，礦區(qū)月綜合舒適指數(shù)呈雙峰變化，6月與9月最高，達(dá)7.8，1月、12月最低，僅為2.2。7月綜合舒適指數(shù)較前后月份略低，原因為7月的溫濕指數(shù)與風(fēng)效指數(shù)分級較低，分級賦值僅為5(表2)。

表3 神東礦區(qū)月綜合舒適指數(shù)

對于緯度、海拔較高的神東礦區(qū)來說，神東礦區(qū)春末(5月)、夏初(6月)及初秋(9月)氣候適宜，溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)與著衣指數(shù)均可達(dá)到全年分級較高的水平，因此全年氣候最為舒適。夏季氣溫較高，水熱同期(圖2-a，b，c)，造成7-8月會有一點(diǎn)悶濕及炎熱的感覺，氣候舒適度略低，為較為舒適。春季(3-5月)與秋季(9-11月)氣候波動較大，溫差大，風(fēng)速強(qiáng)(圖2-b，d)，造成每月之間舒適度各不相同，氣候舒適度自舒適至較不舒適波動，體現(xiàn)出氣候的不穩(wěn)定性。冬季(12月至次年2月)氣溫較低(圖2-b)，綜合氣候舒適度較低，使人感覺不舒適?？傮w來說，神東礦區(qū)全年4-10月為較舒適和舒適的時期，全年舒適期較長，氣候環(huán)境較適合職工安居，便于開展各種戶外出行及生產(chǎn)、生活活動。

良好生態(tài)環(huán)境是最普惠的民生福祉。森林植被的生態(tài)恢復(fù)可有效改善空氣濕度，提高植被覆蓋度，直接影響降水、大風(fēng)及沙塵暴天氣狀況的發(fā)生頻率，對調(diào)節(jié)局地小氣候有積極作用。神東公司長期堅持的“綠水青山就是金山銀山”生態(tài)理念，通過大規(guī)模生態(tài)治理活動有效改善了當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境狀況，實現(xiàn)了能源生產(chǎn)上的“金山銀山”，更實現(xiàn)了生態(tài)治理上的“綠水青山”，此舉從一定程度上有效改善了當(dāng)?shù)貧夂蚴孢m度狀況，提高了當(dāng)?shù)鼐用竦纳钚腋８小?/p>

3 結(jié)論

基于2000-2018年溫度、相對溫度、風(fēng)速、日照時長資料，分析的神東礦區(qū)氣候舒適度溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)、著衣指數(shù)及綜合舒適度指數(shù)，并以此對神東礦區(qū)綜合氣候舒適狀況進(jìn)行分析與評價結(jié)論為：神東礦區(qū)氣象要素年內(nèi)變化明顯，降水年內(nèi)分配不均，氣溫、相對濕度呈明顯波動，水熱同期，4月、11月風(fēng)速較強(qiáng)；礦區(qū)多年平均溫濕指數(shù)50.02，年際變化較小且呈微弱上升趨勢，令人體感覺處于偏冷，較不舒適的程度，多年平均風(fēng)效指數(shù)-481.93，呈微弱逐年下降趨勢，總體令人感覺舒適，多年平均著衣指數(shù)為1.75，呈逐年升高趨勢，礦區(qū)近20 a綜合舒適指數(shù)呈逐年上升趨勢；從溫濕指數(shù)來看，礦區(qū)全年無炎熱及悶熱的人體感覺，人體感覺最舒適的月份為6月份；通過風(fēng)效指數(shù)分析，全年人體并無酷冷及炎熱的感覺，氣候相對較為溫和，年體感最舒適月份為4、9、10月的春秋兩季；從著衣指數(shù)看，神東礦區(qū)5、6、8、9月均為最適的著便裝月份，但建議在4-5月、9-10月風(fēng)速大、溫差大的季節(jié)酌情增減衣物；神東礦區(qū)全年舒適期集中在4-10月，冬季12月至次年2月不舒適。全年舒適期較長且無明顯的年際變化，為礦區(qū)職工提供了舒適、穩(wěn)定的工作與生活環(huán)境，并比較適合開展各類戶外活動，有利于礦區(qū)的發(fā)展與繁榮。