1961—2020年新疆人体舒适度日数时空变化特征及其影响因子

Spatio-temporal Variations and Influencing Factors of Human Comfortable Days in Xinjiang during 1961-2020

摘要

利用1961—2020年新疆87个气象站逐日气象资料，采用线性倾向率、累积距平、MK检验等方法，分析新疆人体舒适度日数时空变化特征及其影响因子。结果表明：新疆年均人体舒适日、冷不舒适日、热不舒适日分别占全年总日数的45.6%、54.2%、0.2%；舒适日数呈“南疆多、北疆少，平原多、山区少”的空间分布，集中出现在5—9月；冷不舒适日数时空分布与舒适日数相反。人体舒适度日数的变化主要受气温影响显著，近60年新疆气候显著变暖，导致85%以上气象站点舒适日数和热不舒适日数显著增加，冷不舒适日数显著减少，上述显著变化的区域主要分布在气温相对较低的北疆及各山区；1997年前后人体舒适度日数的阶段性变化明显。

Abstract

Based on daily meteorological data from 87 stations in Xinjiang between 1961 and 2020， this study analyzes the spatio-temporal variations and influencing factors of "human comfortable days" in the region using methods such as linear trend analysis， cumulative anomalies， and the Mann-Kendall （MK） test. The results indicate that the annual average number of human comfortable days， cold uncomfortable days， and hot uncomfortable days in Xinjiang accounted for 45.6%， 54.2%， and 0.2%， respectively. The number of comfortable days， characterized by pleasant conditions， is primarily composed of comfortable and cold uncomfortable days， with hot uncomfortable days being extremely rare. The spatio-temporal distribution of comfortable days shows that they are more prevalent in the southern Xinjiang than in the northern Xinjiang， and more frequent in the plains than in the mountainous areas. These days primarily occur from May to September. In contrast， the distribution of cold uncomfortable days exhibits an inverse pattern to that of comfortable days. The changes in human comfortable days in Xinjiang are primarily influenced by temperature. Over the past 60 years， the climate has warmed significantly， leading to an increase in both comfortable and hot uncomfortable days at more than 85% of meteorological stations in Xinjiang， while cold uncomfortable days have significantly decreased. Notably， the areas with the most significant changes are mainly located in northern Xinjiang and the mountainous regions， where temperatures are relatively lower. A significant change in the number of human comfortable days is observed around 1997.

Graphical abstract

关键词

新疆 / 人体舒适度 / 时空变化 / 影响因子

Key words

Xinjiang / human comfort / spatio-temporal variation / influencing factor

人体舒适度是从气象角度评价不同气候条件下人体的舒适状态，是进行旅游气候资源评价的一项重要指标^[1-2]。De Freitas 等^[3]指出，截至2016年全球共有165种舒适度指数。国外有关气候舒适度的研究已有百余年的历史^[1,4-5]，评估方法从最初的仪器直接测定数据，到基于人体舒适度的经验模型，再发展到以人体热平衡为基础的机理模型；经验模型的研究经历着由“多要素建模”到“多指数组合”的变化，以此不断扩展模型的适用领域^[6]。国内关于舒适度的研究是从20世纪90年代开始，主要基于经验模型（温湿、风寒、着衣指数等）或者上述几种模型的变形和扩展构建综合指数模型^[7-8]，利用统计方法研究人体舒适度时空分布特征及其影响因子^[9-14]以及不同下垫面条件、海拔高度人体舒适度的变化规律^[15-16]。随着气候模式技术的不断进步，关于气候变化背景下人体舒适度变化的归因及其未来变化预估的研究^[17-18]增多。

新疆地域辽阔、地形复杂，旅游资源丰富。近年来，为加快实施“旅游兴疆”战略，迫切需要围绕“旅游+气象”挖掘地方优势气候资源，开展旅游气候资源评估的研究，助力美丽中国建设和新疆旅游高质量发展，满足人民日益增长的生活需求。关于新疆气候舒适度的研究较少且多为局部区域，采用温湿、风效及综合舒适指数运用模糊综合评价法等统计分析了巴州^[19]、伊犁河谷^[20-21]、乌鲁木齐市^[22]气候舒适度指数的时空变化规律及舒适区面积变化特征。人体的健康状况通常与所处的气候环境舒适程度密切相关，新疆气候变暖趋势显著，需要进一步研究人体舒适度是否存在类似的变化。

本文利用1961—2020年新疆87个气象站逐日气象资料计算人体舒适度指数，探讨研究气候变化背景下人体舒适和不舒适日数的演变规律及影响因子，旨在为区域城市人居气候环境评估、城市空间合理开发和可持续发展规划提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料说明

新疆幅员辽阔，三山夹两盆，北面是阿尔泰山，南面是昆仑山，天山横亘中部，把新疆分为南北两部分，习惯称天山以南为南疆，天山以北为北疆；海拔高差显著（8 765 m），因而新疆各地气候差异大。选取1961—2020年具有完整观测资料的87个气象站逐日平均气温、相对湿度和风速3个气象要素，按照新疆气象局现行气候业务所采用的气候分区，将新疆划分为北疆（37站）、南疆（38站）、天山山区（12站）3个区域进行分析。

1.2 研究方法

采用中国气象局《气候资源评价 气候宜居城镇》^[24]定义的人体舒适度指数（IBC）分析新疆人体舒适度日数的时空变化，能够较好地反映多数人群身体舒适感，主要考虑了气温、风速和湿度3个对人体舒适性影响最大的气候因子，计算公式如下：

I_{\mathrm{B}\mathrm{C}}=(\mathrm{1.8}T+\mathrm{32})-\mathrm{0.55}(\mathrm{1}-R_{\mathrm{H}}/\mathrm{100})(\mathrm{1.8}T-\mathrm{26})-\mathrm{3.2}\sqrt[]{V}。（1）

式中：I_BC为人体舒适度指数，T为日平均温度（℃），R_H为日平均相对湿度（%），V为日平均风速（m·s^-1）。

利用式（1）计算得到各站逐日人体舒适度指数，参照中国气象局人体舒适度指数等级标准（表1）分别统计月、季、年不同时间尺度的人体舒适（4～6级）、冷不舒适（1～3级）和热不舒适（7～10级）日数，再采用线性倾向率、累积距平、MK（Mann-Kendall）检验等方法分析其时空分布特征及变化规律。

2 结果分析

2.1 人体舒适度日数气候态特征

2.1.1 舒适度日数时间分布

新疆区域年平均人体舒适日数为166.5 d，冷不舒适日数为198.0 d，热不舒适日数仅为0.5 d，分别占全年总日数的45.6%、54.2%、0.2%（表2）。其中，北疆和天山山区冷不舒适日数占比较大，分别为56.8%、69.9%，舒适日数占比较小，分别为43.2%和30.1%，基本无热不舒适日；南疆人体舒适日数在全年中占比最大，为53.3%，其次为冷不舒适日数，占46.4%，热不舒适日数仅占0.3%。新疆一年中主要是舒适日和冷不舒适日，热不舒适日数极少；其中冷不舒适日数多达169 d，天山山区冷不舒适日数最多，南疆最少。受地理位置和地形影响，南疆气温整体比北疆和天山山区高。

由图1可知，新疆及北疆、南疆舒适日数呈“U”形，天山山区呈“V”形分布。新疆3—11月均存在体感舒适日，主要集中在5—9月，占全年舒适日数的83%；冷不舒适日数则主要出现在10月—次年3月，占全年冷不舒适日数的85%；热不舒适日数5—9月均有出现。新疆各区域人体舒适度日数的年内变化与新疆整体一致，但集中出现的时段略有差异。综合来看，新疆及各区域整个夏季（6—8月）体感舒适，凉爽，是避暑旅游的优选地，冬季（11月—次年2月）体感不舒适。

2.1.2 舒适度日数空间分布

由图2可知，新疆人体舒适日数呈“南疆多、北疆少，平原多、山区少”的空间分布特征。北疆北部的阿勒泰大部分地区和塔城北部人体舒适日数为130～160 d，北疆西部、天山北坡及东疆大部为160～190 d，南疆大部为190～210 d；北疆东部及其他浅山区约为100 d，山区大部不足100 d。

新疆冷不舒适日数空间分布呈“北疆和天山山区多，南疆少”的特点（图2c）。南疆大部为140～180 d，北疆和天山山区大部为180～290 d，其中北疆北部和西部、天山山区、南疆西部山区、帕米尔高原较多，超过200 d。吐鲁番盆地年平均热不舒适日数为6～23 d，其他大部分地区不足1 d（图2e）。

2.2 人体舒适度日数年际变化

2.2.1 舒适日数年际变化

1961—2020年新疆区域年平均舒适日数变化较大，最大值出现在1997年（179 d），最小值出现在1969年（154 d）。近60 年新疆区域舒适日数呈显著增加趋势，气候倾向率为3.62 d·(10 a)^-1，通过0.05的显著性检验（表2，图3a）；从年代际变化看，20世纪60年代以来呈逐步增加趋势，21世纪10年代较20世纪60年代增加了19 d（约13.3%）。北疆、天山山区和南疆的变化趋势与新疆整体趋势一致，气候倾向率分别为4.18、3.74 、3.04 d·(10 a)^-1，北疆和天山山区的增速大于新疆整体增速。

近60 年，北疆、天山山区春、夏、秋三季以及南疆春、秋季舒适日数均显著增加，与新疆整体趋势一致，并通过0.05的显著性检验；北疆春季增速最大，为2.18 d·(10 a)^-1，比新疆整体增速（2.09 d·(10 a)^-1高；北疆与新疆均夏季最小，分别为0.48、0.36 d·(10 a)^-1；天山山区春、夏、秋季增速接近，在1.2 d·(10 a)^-1左右，夏季略大；南疆春季增幅最大，但夏季有微弱减少趋势，线性倾向率为-0.06 d·(10 a)^-1，可能与气候变暖、夏季高温天气增加有关。新疆年平均气温与四季平均气温显著升高，其中冬季增温速率最大，其次为春、秋季，夏季最小^[25]，导致各地人体舒适度指数等级也发生变化，表现出春、秋季舒适日数增速大于夏季，冬季全部为无舒适日，故升温对其影响不大（表2）。

从近60年新疆舒适日数变化速率的空间分布（图2b）可知，96.0%的气象站点显著增加，通过0.05的显著性检验；其中，北疆、天山山区和东疆哈密市北部等气温较低地区增加的线性倾向率在5.0 d·(10 a)^-1以上，吉木乃县最大，达10.1 d·(10 a)^-1。

2.2.2 不舒适日数年际变化

1961—2020年新疆冷不舒适日数显著减少，气候倾向率为-3.71 d·(10 a)^-1，通过0.05的显著性检验（表2，图3b）。北疆、南疆和天山山区与新疆整体趋势一致，线性倾向率为-3.22～-4.19 d·(10 a)^-1，北疆减少速率最大。新疆各站冷不舒适日数均呈减少趋势（图2d），其中53.2%的站点显著减少，显著减少的区域主要分布在阿勒泰地区、伊犁河谷、天山山区及其两侧、南疆西部和东疆部分地区，气候倾向率均小于-4.0 d·(10 a)^-1，其中叶城县和泽普县减少速率最大，为-6.41 d·(10 a)^-1。

1961—2020年新疆热不舒适日数显著增加，气候倾向率为0.06 d·(10 a)^-1，通过0.05的显著性检验；由于热不舒适日数很少出现，因此增幅不大，但1997—2004年出现明显偏多阶段。南疆、北疆热不舒适日数显著增加，南疆增幅大于北疆，气候倾向率分别为0.13、0.02 d·(10 a)^-1；天山山区夏季凉爽，基本无热不舒适日，因此变化趋势不明显。由空间分布（图2f ）可知，各地热不舒适日数总体呈微弱增加趋势，其中素有“火洲”之称的吐鲁番市托克逊县和高昌区增加最明显，气候倾向率为1.80 d·(10 a)^-1。

综上，新疆人体不舒适日数变化特征与李万玲等^[17]研究得到北半球中低纬度地区热不舒适日数显著增加、中高纬度地区冷不舒适日数显著减少的结论一致。

2.3 人体舒适度日数变化与气象因子关系

利用逐步回归方法对新疆区域舒适、冷不舒适和热不舒适日数与同期气温、风速、相对湿度进行相关分析，计算得到与气温的相关系数分别为0.814、-0.635和0.321，与风速相关系数为-0.631、0.577和-0.520，均通过0.05的显著性检验，即同期气温升高有利于舒适和热不舒适日数增多、冷不舒适日数的减少，风速变化的影响则与气温相反；与同期相对湿度的相关系数分别为-0.149、0.145和0.389，仅热不舒适日数与同期相对湿度的相关系数通过0.05的显著性检验。温度是影响我国人体舒适度指数的主要气候因子^[2,26]，因此重点探讨新疆年平均人体舒适、冷不舒适、热不舒适日数与同期平均气温、风速之间的关系。

由累积距平曲线对比分析可知，新疆年平均舒适日数、热不舒适日数与同期气温年际变化是一致的，均经历了1961—1996年以负距平为主的偏少（低）阶段和1997年至今以正距平为主的偏多（高）阶段（图4a、c）。1997年以来夏季气温持续上升，热不舒适日数在1997—2009年迅速增多，2009年以来呈高位波动，造成这种差异的原因可能与进入21世纪以来气候变暖显著但增速有所减缓有关。由图4b可知，1961—1996年为冷不舒适日数以正距平偏多、同期平均气温以负距平偏低为主的阶段，1997年以来为冷不舒适日数以负距平偏少、同期平均气温以正距平偏高为主的阶段，这也进一步说明随着冬半年气温显著上升，新疆冷不舒适日数在减少。由图4d~f可知，年平均舒适日数、热不舒适日数与同期风速的阶段变化是相反的，冷不舒适日数与同期风速的变化基本一致，但转折时间均早于各类舒适度日数。

对1961—2020年新疆人体舒适、不舒适日数与同期平均气温、风速进行MK突变检验可知，突变均通过0.05的显著性检验。年舒适日数与年平均气温突变均出现在1997年，冷不舒适日数与冬半年气温均出现在1994年；热不舒适日数很少，其突变时间与夏季气温突变时间存在明显差异。各时段平均风速的突变均出现在1976、1977年，早于与各类舒适度日数及气温的突变时间。

3 结论与讨论

（1）受地理位置和地形影响，新疆人体体感以舒适和冷不舒适为主。新疆年平均人体舒适、冷不舒适日数分别占全年总日数的45.6%、54.2%，尤其是冷不舒适日数多达169 d；热不舒适日数极少，仅占0.2%。从空间分布看，舒适日数呈“南疆多、北疆少，平原多、山区少”的特征，集中出现在5—9月；而冷不舒适日数的时空分布则与舒适日数相反。

（2）1961—2020年新疆85%以上的站点表现为舒适日数和热不舒适日数显著增加，冷不舒适日数显著减少。年平均舒适日数增速为3.62 d·(10 a)^-1，春、夏、秋季均显著增加，春季增幅最大；热不舒适日数增速为0.06 d·(10 a)^-1，冷不舒适日数减少速率为3.71 d·(10 a)^-1。上述显著变化的区域集中在新疆北部及天山山区气温较低的地区。

（3）近60 年新疆人体舒适度日数的变化受气温影响大于风速影响。累积距平曲线分析表明，年平均舒适日数、热不舒适日数与同期平均气温变化一致，均经历了两个阶段1961—1996年负距平偏少（偏低）为主，1997年以来正距平偏多（偏高）为主；冷不舒适日数变化与冬半年气温变化则相反，1997年之前以气温偏低、冷不舒适日数偏多为主，之后以气温偏高、冷不舒适日数偏少为主。风速的突变时间则与各类舒适度日数、同期气温变化存在差异。

由于本文采用的人体舒适度指数主要考虑气温、湿度和风速3个要素，但造成人体感觉舒适度还与太阳辐射、气压、降水等其他气象要素有关，也受城市发展等社会因素影响。因此，在今后的研究中应考虑建立更加完善的人体舒适度指标。近年来新疆气候“暖湿化”特征显著，极端天气气候事件增多增强，时有突破历史极值的情况，未来应加强对新疆冷热舒适度变化的主要外强迫信号检测归因分析，并定量预估未来在不同共享社会经济途径情景下人体舒适度的变化情况，为打造更利于人类生活的舒适环境提供参考。

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基金资助

新疆气象局专业气象服务科研基金项目(zyq202305)