济源市人居环境气候适宜性评价

刘 恒 胡玉梅 张鹏飞 冯潇潇 卫 科 卢 彬

（济源市气象局 河南济源 459000）

随着城市化进程不断推进和人们对生活水平质量的追求越来越高，城市的宜居性受到广泛关注。气象条件是构成城市宜居性的一个主要因素，对城市规划建设有着十分重要的影响[1]。如何评价一个城市的宜居水平，以及科学的评价结果将为宜居城市建设提供明确的发展方向和建设目标[1-4]。济源市地处河南西北部，南临黄河，北依太行，属暖温带季风气候，四季分明气候温和，旅游资源丰富，先后荣获国家级森林城市、国家级园林城市、中国优秀旅游城市等荣誉。随着济源产城融合示范区的成立，济源迎来城市发展的新篇章，建设产城融合、城乡一体、旅游富民的生态宜居城市成为未来城市发展建设的核心任务。本研究从气候环境条件的角度着手，选取指标因子对城市的宜居性进行对比评价分析，旨在建立城市气候环境宜居性评价体系，为济源市宜居城市的建设提供参考。文中选用人体舒适度、温湿指数、风效指数等与生产生活较为密切的气候环境因子作为评价体系的一级指标。

1 资料与方法

1.1 资料来源

文章选用济源市国家气象观测站（站号53978）1969—2019年逐日/月平均气温、日/月平均风速、日/月平均相对湿度、日/月日照时数等常规气象要素长序列数据，计算之前的逐日气象数据，进行质量控制，对某日出现的气象要素缺测值使用 1981—2010年的气候平均数据代替。数据经过质量控制准确可靠。季节划分以12月—次年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。

1.2 研究方法

气候由多个气象要素组成，各要素共同作用形成影响人体感受的大环境，本研究使用温度、湿度、风、日照等4个环境对人体影响最密切的气象要素的不同模式组合，采用温湿指数、风效指数及人体舒适度指数等被广泛应用的评价因子为主要指标，对近60年济源市气候适宜性进行定量分析评价，利用一元线性方程进行趋势分析，并对趋势系数进行显著性检验。

1.2.1 温湿指数和风效指数

温湿指数是指通过湿度与温度的综合作用来反映人体与周围环境之间的热量交换，其物理意义是湿度订正以后的温度[2]，计算公式如下：

式中THI 表示某一时段内的温湿指数，计算时保留一位小数。T 为该时段内的平均气温（℃），RH 为该时段内的平均相对湿度（%）。

风效指数是描述人体对风、温度与日照综合感受的指数，是气候舒适度评价重要指标之一[3]，计算公式如下：

式中K 表示某一时段内的风效指数，计算时取整数。V 为风速（m/s），T 为温度（℃），S 为日照时数（h/d）。温湿指数与风效指数计算时气温、相对湿度、风速使用月平均值，日照时数使用日均值，其分级及人体感觉程度见表1。

1.2.2 人体舒适度指数

人体舒适度指数是建立在气象要素预报的基础上,较好地反映多数人群的身体感受综合气象指标或参数。它在城市环境气象服务中具有重要的地位，该指数体现了人体对空气温度、湿度等要素的感受，能反映气温、湿度、风速等的综合作用。具体计算方法如公式（3）所示[7]：

通过日平均气温和日平均相对湿度，以及月平均气温和月平均相对湿度四个指标，可以求得日与月的舒适指数，按照标准，将人体舒适度指数划分为9 个等级，如表2所示：

表1 温湿指数、风效指数级别划分

表2 人体舒适度指数划分

2 结果与分析

2.1 温湿指数与风效指数月分布

根据温湿指数和风效指数的计算公式得出济源市1—12月的温湿指数和风效指数值见图1：济源市全年温湿指数和风效指数均呈“U”形分布，且冬季均为最小值，春秋季逐渐增大，到夏季达到最大值。

各月温湿指数与风效指数的气候倾向率如表3 所示，随着近年来气温不断升高，各月温湿指数、风效指数均呈明显的上升趋势（6月风效指数呈下降趋势）。温湿指数中2月和3月变幅最大，每10年分别升高0.60 和0.64 ，6—8月指数升高幅度较小，上升范围在每10年0.06 ~0.11 ，各月指数等级60年来均发生过转变。风效指数中11月到次年4月变化较大，上升范围在14.10 ~21.78 。1—2月由冷凉风转向凉风，3月和12月由凉风转向舒适风，4月由舒适风转向暖风，6—8月变化幅度最小，等级由暖风转向暖热风，各月舒适度均提升一个等级。

表3 温湿指数、风效指数各月气候倾向率

按照表1 的分级指标确定出各月平均温湿指数和风效指数对应的等级和感觉程度，见表4。就温湿指数而言，每年4—6月，9—10月是舒适月份，其中4月和10月温湿指数等级为a，人体感觉清凉，舒适；5月和9月等级为A，人体感觉为暖，舒适；6月等级为B，人体感觉偏热，较舒适。1月等级为d，人体感觉极冷，极不舒适；2月和12月等级为c，人体感觉寒冷，不舒适；7—8月济源气温较高，且为雨季，湿度较大，感觉闷热，不舒适的月份。就风效指数而言，3—4月以及9—10月等级为N，人体感觉舒适；冬季（12—2月）等级为a，人体感觉凉；5月和9月等级为A，人体感觉暖；6—8月等级为B，人体感觉暖热。

综合温湿指数和风效指数对应的感觉程度可以确定出气候舒适程度（表4）。可知，在某个月份中，温湿指数和风效指数必须为N、a、A 或B 时该月方可称之为气候舒适月[8]。因此，济源市气候舒适月为4—6月以及9—10月，该时段内即为气候舒适期，其中4月和10月最舒适，而1月舒适度最低。

表4 济源市各月平均气候舒适度

2.2 人体舒适度指数年变化与季变化

根据人体舒适度指标的计算公式，利用济源市1960—2019年平均气象资料计算出济源市年平均和各季节的舒适度指数，其年际变化曲线如图2 所示：近60年济源市年平均舒适度指数均在51 ~60 的范围内波动，舒适等级均为凉爽（-1 级），历年平均值为54.4，大部分人感觉较舒适，适合旅游。且近60年来济源市年舒适度指数呈明显的上升趋势，增幅为0.47 /10 a，表明济源市人体感觉向温暖发展。其中舒适度指数最大值出现在2017年（56.6），最小的出现在1964年（51.8）。

从各季节舒适度指数的历年变化可以看出春、夏、秋冬4 个季节的舒适度指数变化范围分别是：51 ~58 ，71~75 ，53 ~58 ，29 ~40 。比较可知，夏季舒适度指数最高，表示天气炎热，人体感觉偏热的天数多；冬季舒适度指数最低，表示人体感觉偏冷的天数多；春秋两季的舒适度指数相近，且大小适中，表示人体感觉舒适的天数较多。四季的时间序列均变化特征基本一致，有较明显的上升趋势，与年平均舒适度指数变化趋势相似。其中冬季上升趋势最为明显，春季次之，线性趋势分别约为0.63 /10 a和0.62 /10 a。

2.3 人体舒适度指数月分布

从历年各月平均舒适度指数分布情况来看（表5），济源市全年舒适期较长，4—10月份为较舒适期（-1~1 级），无寒冷月份（-4 级）和偏热以上月份（2~4 级）。

1月历年平均（34.0）和2月历年平均（37.6）舒适等级为偏冷（-3 级），其中近60年1月舒适度等级均为偏冷（-3 级），舒适度指数值最小的出现在1969年（26.9），最大的出现在2014年（39.4）。近60年2月舒适度等级中共有16年为偏凉（-2 级），舒适度指数值最大的出现在2004年（44.5），共44年等级为偏冷，指数值最小的出现在1964年（24.9），未出现寒冷（-4 级）等级。3月历年平均（45.3）舒适等级为偏凉（-2 级），近60年中有2年为凉爽（-1级），分别出现在2014年（50.7）和2019年（50.6），1991年（40.0）为偏冷（-3 级）。4月历年平均（54.8）舒适等级为凉爽（-1 级），舒适度指数值最大出现在 2016年（58.6），最小出现在1965年（50.5）。5月（63.1）和6月（69.9）历年平均舒适等级为最舒适（0 级），其中1991年5月（59.9）为凉爽（-1 级），其余年份均为最舒适。6月有20年舒适等级为温暖（1 级），舒适指数值最大的出现在2005年（71.78 ），有40年等级为最舒适，舒适指数值最小的出现在1971年（67.6）。7月（73.9）和8月（72.5）历年平均舒适等级为温暖（1 级），其中7月近60年舒适等级中共有11年为偏热（2 级）。8月近60年舒适等级中共有2年为偏热。其余为温暖（1 级）。9月（64.7）历年舒适等级为最舒适（0 级），舒适指数值最大的出现在1999年（67.9），最小的出现在2011年（61.5）。10月（55.8）舒适等级为凉爽（-1 级）。舒适指数值最大的出现在2006年（59.9），最小的出现在1968年（52 ）。11月（44.9）历年平均舒适等级为偏凉（-2 级），其中1967年11月（39.2）为偏冷（-3级），其余年份为偏凉。12月历年平均（36.6）舒适等级为偏冷（-3 级），历年中有4年为偏冷（-2 级），其余为偏冷。

表5 各月舒适度指数和等级分布情况

2.4 舒适天数分布

使用公式（3）计算济源市1960—2019年逐日人体舒适度指数，并按照表5 中的舒适度指数等级划分，统计每个等级出现天数占总天数的比例，如图1 和图4 所示。济源市处于最舒适（0 级）的天数最多，占比23.14 %；处于凉爽到暖和（-1~1 级）的天数占比53.60 %；多数人感觉较冷（-4~-2 级）的天数占比41.38 %，需要做好保暖措施，其中有0.09 %的天气为寒冷到使人有冻伤危险（-4 级）；多数人感觉较热（2~4 级）的天数占比5.02 %，其中未出现酷热使人有热调节功能障碍的天气（I级），有4.57 %的炎热天气使多数人感觉不舒适，有中暑危险。

近60年来济源市各舒适等级天数月平均分布情况如表6 所示。由此可以看出，济源市偏冷天数只要出现在冬季（12—1月），偏冷天数最多的是1月和12月，分别达到了28.3 天和24.2 天。只有1月和2月分别有0.1 天和0.2 天的寒冷天数，其余月份无寒冷天数；偏凉天数最多的是春季3月和秋季11月，分别为19.2 天和19.3 天；凉爽天数最多的是春季4月和秋季10月，分别为19.2 天和21.9 天；最舒适天数出现最多的是春季5月和秋季9月，分别达到了22.4天和22.8 天，11月到2月无最舒适天数；温暖天数主要出现在夏季（6—8月）。此外只有9月有0.1 天的温暖天数，偏热及炎热天数集中在7月和8月，分别为10.5 天和6.6天，全年未出现酷热天数。

表6 各月舒适天数分布表（单位：天）

结合近60年济源市逐日最舒适日（0 级）、偏凉不舒适日及以上（≤ -2 级），偏热不舒适日及以上（≥ +2 级）出现的频次累积可知（图略），最舒适日出现频次较高的在4月下旬到7月中旬，以及8月中旬到10月上旬，其中以5月和9月最舒适日出现频次最高，平均频次分别为43.3 次和45.6 次，最高频次为5月19日和5月28日的56 次。偏冷不舒适日出现频次较高的时段为11月下旬到3月中旬，偏凉不舒适日出现频次较高的时段为2月中旬到4月上旬，以及10月下旬到12月上旬，偏冷日和偏凉日出现的最高频次分别为1月15日和1月18日的59 次，以及11月20日的50 次。偏热不舒适日出现频次较高的时段集中在6月下旬到8月中旬，其中7月频次最高，平均频次为18.7 次，最高频次为7月24日和7月30日的29 次，炎热日集中出现在7月中旬到8月上旬，其余月份无炎热日。最高频次为7月24日和8月3日的5 次。

为方便分析，将-1~1 级的天数合起来作为人体舒适天数，将-4~-1 级的天数合起来作为冷不舒适天数，2~4 级的天数合起来作为热不舒适天数。从各舒适等级天数的年变化情况看（图4），近60年济源市受气候变暖影响，导致年舒适天数呈现明显的上升趋势，每10年上升约2.8 天；年热不舒适天数变化趋势与年舒适天数趋势一致，增幅约为每10年1.2 天；年冷不舒适天数变化趋势与年热不舒适天数变化趋势相反，每10年减少约4.0 天，同时，这种变化趋势是否会持续值得关注。

3 总结与思考

（1）采用温湿指数和风效指数综合评价济源市气候舒适度，分析发现济源市气候舒适期为4—6月及9—10月，温湿指数I值介于62.9～76.5之间，风效指数K介于-276 ～-33 之间。

（2）以人体舒适度指数评价济源市气候舒适度发现，4—10月份为较舒适期（-1～1 级），全年无寒冷月份（-4级）和偏热级以上月份（2～4 级）。月平均人体舒适度指数介于34.0～73.9 之间。

（3）济源市全年处于凉爽到缓和等级（-1～1 级）的天数占比53.60%，其中处于最舒适等级（0 级）的天数占比23.14%；处于较冷及以上等级（-4～-2 级）的天数占比41.38%；处于较热及以上等级（2～4 级）的天数占比5.02%。

（4）近60年来，济源市年舒适天数呈明显上升趋势，每10年上升约2.8 天；年热不舒适天数每10年上升1.2 天；年冷不舒适天数每10年减少4.0 天。