近60 年柳州市人居气候舒适度评价及变化趋势

黄 维，刘永裕，蒋丽媛，裔传祥，吴炫柯

（1.柳州市农业气象试验站，广西 柳州 545000；2.柳州市潭中人民医院，广西 柳州 545000；3.盐城市气象局，江苏 盐城 224000）

全球气候变暖已成为毋庸置疑的事实，近100年内，全球平均温度已升高0.85 ℃，近60 年上升尤其明显［1，2］。此外，日照时数呈总体减少趋势，夏季下降幅度最大，秋、冬季次之，春季最小［3］。气候条件是构成人类居住环境舒适度的重要因子之一，气候变化势必会对人类居住环境产生一系列影响。特别是随着当今社会的快速发展，人们对城市居住环境的要求进一步提高，城市人居气候舒适度已经成为生态城市研究领域的热点。近年来，众多学者采用综合舒适度、温湿指数和风效指数等指标，对各地气候舒适度开展一系列卓有价值研究，为科学指导旅游出行、客观评价城市人居环境等提供了重要的科学参考［4-16］。

柳州市地处桂中北部，属中亚热带季风气候，7月和8 月平均温度最高，1 月和2 月平均温度最低，年总日照时数为1 250～1 570 h［17］。柳州市不仅是广西壮族自治区（以下简称广西）最大的工业基地，还是重要的旅游胜地。该市集中了广西80%以上的4A 级旅游风景区，市区拥有百里柳江、莲花山自然保护区、三门江国家森林公园等自然景区，自然环境优越。目前，关于柳州市气候人居气候舒适度的研究鲜有报道。因此，本研究以温湿指数和风效指数作为评价指标，采用 GB/T 27963—2011 标准［18］，分析人居环境气候舒适度的变化特征，旨在为柳州市人居环境的评价、生态宜居城市建设以及旅游资源的开发等提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

从柳州市气象局获取柳州国家基本气象站1961—2020 年逐日气象资料，数据主要包括平均气温、相对湿度、风速和日照时数。

1.2 研究方法

根据GB/T 27963—2011 标准，选取温湿指数和风效指数作为人居环境舒适度评价指标，对于月人居气候舒适度评价，当温湿指数和风效指数不一致时，冬半年（10 月至次年3 月）以风效指数为主指标，夏半年（4—9 月）以温湿指数为主指标。温湿指数和风效指数的计算公式如下。

式中，I为温湿指数，K为风效指数，T为评价时段平均气温（℃），RH为评价时段平均相对湿度（%），v为评价时段平均风速（m/s），S为评价时段平均日照时数（h）。根据GB/T 27963—2011，将温湿指数和风效指数划分为5 个等级，如表1 所示。

表1 人居气候舒适度等级划分

1.3 趋势分析

采用线性趋势分析法，分析温湿指数和风效指数时间变化趋势，公式如下。

式中，xt为温湿指数和风效指数的拟合值。a0为变量初始值，a1为趋势系数，t为时间。a1正值表示x随时间t呈增加趋势，反之呈减少趋势。

1.4 小波分析

选择Morlet 复数小波分析温湿指数和风效指数的时序周期变化特征，该小波是Gauss 包络下的单频率复正弦函数，在时域和频域内具有较好的局部聚集性［19，20］。Morlet复数小波函数如下。

式中，ψ(t)为小波函数，i为复数单位，e 为指数函数的底，t为自变量，ω0为无量纲频率，其值取6［21］。对于时间序列xb*（b*= 0，1，2，…，N-1，N为时间序列的长度），其小波变换如下。

式中，Wb*（a，b）为小波变换系数，ψ*表示其共轭复函数，a为尺度因子，b为时间平移因子，δt为采样时间间隔。

2 结果与分析

2.1 人居气候舒适度月评价及变化趋势

计算1961—2020 年1—12 月温湿指数和风效指数的平均值，结果如表2 所示。可以看出，温湿指数范围在11.0～27.0，1—12 月的温湿指数呈现先增后减的变化趋势，最小值出现在1 月，最大值出现在7月，根据等级划分标准，1、2 月和12 月温湿指数评价为寒冷，3 月温湿指数评价为冷，4、5、9—11 月温湿指数评价为舒适，6—8 月温湿指数评价为热。风效指数范围在-468.2～-32.7，1—12 月的风效指数呈现先增后减的变化趋势，最小值出现在1 月，最大值出现在 7 月和 8 月，根据等级划分标准，1、2 月和 12 月风效指数评价为寒冷，3 月风效指数评价为冷，4、5、10、11 月风效指数评价为舒适，6—9 月风效指数评价为热。从上述分析可知，除了9 月温湿指数和风效指数评价不一致外，其他月份温湿指数和风效指数评价均一致。根据标准，当温湿指数和风效指数不一致时，夏半年（4—9 月）使用温湿指数，因此9 月最终评价为舒适。

表2 1—12 月人居气候舒适度评价

1—12 月温湿指数和风效指数年变化趋势分析见表3。可以看出，7 月温湿指数回归系数小于0，其他月份回归系数均大于0，但仅有6 月和11 月的回归系数通过 0.05 显著水平检验；1、5、6、7、8、9 月和12 月风效指数回归系数小于 0，2、3、4、10 月和 11 月大于0，但仅有10 月回归系数通过0.05 显著水平检验。总的来说，月温湿指数和风效指数的年际变化趋势不显著。

表3 1—12 月温湿指数和月风效指数的年际变化趋势分析

2.2 人居气候舒适度年评价及变化趋势

温湿指数和风效指数年际变化规律如图1 所示。年温湿指数（图1a）范围在19.02～20.81，最小值出现在1984 年，最大值出现在2016 年，整体呈上升趋势，回归系数为0.32，通过0.01 显著性水平检验，根据等级划分标准，1961—2020 年均处于舒适范围内。风效指数（图1b）范围在-312.35～-198.61，最小值出现在2020 年，最大值出现在2009 年，整体变化趋势不明显，根据等级划分标准，1961—2017 年处于舒适范围内，2018—2020 年处于冷范围内。值得注意的是，温湿指数和风效指数2018—2020 年连续3 年走低，这主要与2018 年柳州国家基本气象站的搬迁有关。

图1 温湿指数和风效指数的年际变化趋势

年温湿指数和年风效指数的小波分析如图2 所示。可以看出，温湿指数（图2a）在4 年和8 年尺度的周期变化，4 年尺度主要发生在1984—1990 年，8年尺度主要发生在2009 年以后，且能量较强，但大部分在影响曲线之外。风效指数（图2b）在8 年尺度的周期变化，主要发生在2013—2020 年，但该尺度在影响锥形曲线之外，因此风效指数未表现明显的周期变化规律。

图2 温湿指数和风效指数连续小波功率谱

3 小结与讨论

柳州月人居气候舒适度评价结果表明，1、2 月和 12 月为寒冷，3 月为冷，4、5 月和 9—11 月为舒适，6—8 月为热；1—12 月温湿指数和风效指数的年际变化趋势不明显，舒适月份较为稳定，每年4、5 月和9—11 月则较适合生活起居和出行旅游。近60 年温湿指数均处于舒适范围内，呈显著上升趋势，存在4年和8 年尺度的周期变化，4 年尺度主要发生在1984—1990 年，8 年尺度主要发生在2009 年以后，且能量较强。风效指数在1961—2017 年处于舒适范围，2018—2020 年处于冷范围，但未表现出明显的变化趋势和周期变化规律。2018—2020 年温湿指数和风效指数偏低，这主要与2018 年柳州国家基本观测站搬迁有关，新址海拔为306.0 m，比旧址96.8 m 高出209.2 m，温度、风速、日照和相对湿度会有显著差异，为更贴近人居的地面环境情况，之后研究需对2018 年后气象数据进行换算。

本研究采用的是GB/T 27963—2011 标准划分人居气候舒适度。研究表明，在长期的人地关系演化中，人体对气候环境形成了鲜明的地域性适应，例如长期居住在热带地区的人群要比中纬度地区的人群具有更强的耐热性［22］。因此，在气候舒适度评价中，体感分级标准的制定需要“因地制宜”，不能简单地移植套用。后续研究应根据柳州当地实际情况，开展人群抽样的情景试验或自然调查，对标准进行本地化，进而获得一个更贴近实际的本地化人居气候舒适度划分标准。