呼包鄂地区气候舒适度时空变化及其关键气象因子分析

赵迦琪

（内蒙古自治区气象服务中心，内蒙古 呼和浩特010051）

引言

气候舒适度是反映人体舒适程度的生物气象指标，也是分析和评价区域人居环境、旅游资源的关键气候指标［1］。国外学者早在1966年提出气候舒适度指数的概念［2］，并设计了舒适指数、温湿指数和风寒指数［3-4］来评价气候舒适度对人体的影响。国内学者对气候舒适度的研究始于20世纪80年代，建立了温湿指数、风效指数、穿衣指数等经验指标，其中温湿指数、风效指数的应用最为广泛［5］。在研究气象因子对气候舒适度的影响方面，有学者发现气温对舒适感的影响最大，其次是相对湿度和风速［6］。在全球气候变暖和工业快速发展的背景下，区域气候舒适度必然会发生不同程度的变化［7-9］。研究发现，受气候变暖和生态修复工程的影响，中国京津冀地区近50 a的气候舒适度指数呈显著上升趋势，其中天津作为北方沿海城市受大陆季风气候和海洋气候的影响，同时城市化进程迅猛发展，使得天津的气候舒适度指数变化幅度最为明显［10］；北京城区人口和建筑的高度集中加剧了热岛效应和空气污染状况，导致北京城区和郊区的气候舒适度空间差异从20世纪80年代中后期开始越来越明显［11］；气候变暖也使得武汉城市圈人体舒适日数从21世纪开始呈显著增多趋势，闷热日数增加［12］。而气候舒适度的变化，对旅游资源产生重要的影响［13-14］。研究发现，宁夏六盘山区域气候变暖和生态环境改善，使得六盘山避暑旅游舒适度和适宜避暑日数有所提高，尤其是南部海拔较高的地区优势更加突出［15］；而汉江流域内旅游气候舒适度自上游到下游呈现出从较舒适至较不舒适的趋势［16］。上述研究表明，不同区域的地理生态环境和城市发展程度存在差异，区域气候舒适度的变化规律也有所不同。

呼包鄂地区（下同）位于内蒙古中西部，其中呼和浩特是内蒙古省会，包头是内蒙古最大的工业城市，鄂尔多斯是新兴的草原都市，三市呈“品”字形分布，是首都北京的前缘地带和生态屏障。该地区总人口有700多万，GDP总额占全区总量的59%［17］，是“国家重点开发区”。呼包鄂地处黄河两岸，属典型的温带半干旱大陆性气候，是生态脆弱区［18］，近几十年来，退耕还林、沙漠治理等生态保护工程不断推进。呼和浩特人口较为密集，包头钢铁重工业不断发展，鄂尔多斯煤炭大规模开采，内蒙古自治区政府已规划呼包鄂城市群发展方向，该地区未来城市群扩张和经济发展会更加迅速。生态修复、城市建设和大量的工业热量排放将会影响当地气候舒适度和年舒适日数，舒适日数增多的区域有利于人居环境改善、城市扩张和旅游资源开发，舒适日数减少的区域可发展工业。

有研究发现，自20世纪90年代内蒙古中部地区温度大幅上升［19］、风速大幅下降［20］，然而对该地区气候舒适度的研究目前仍较少，而且以往学者对气候舒适度的研究，关于影响特定区域气候舒适度的气象因子作用大小的研究更少。综上，本文利用呼包鄂地区25个气象站近50 a的日气象资料，以温湿指数、风效指数、着衣指数及舒适度综合指数［11］为气候舒适度评价指标，在气候变暖背景下，尤其是20世纪90年代后该地区气候变化背景下，全面分析了该地区气候舒适度每10 a的时空变化规律及影响该地区舒适度指数的关键气象因子，以期为该地区人居环境评价、避暑旅游条件评估、旅游资源合理开发、未来城市群优化发展、城市建设、工业扩张及人类活动提供依据，为探究特定区域影响气候舒适度关键气象因子提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用气象资料来源于内蒙古气象信息中心，为1970—2019年呼包鄂地区25个气象站通过质量控制后的逐日气温、相对湿度、风速和日照时数等，气象站分布如图1所示。

图1 呼包鄂地区气象站分布和海拔高度Fig.1 Distribution map ofmeteorological stations and elevation in Hohhot-Baotou-Ordos region

1.2 研究方法

1.2.1 指数计算方法

呼包鄂地区属于中国北方寒冷地区，在前人研究的基础上［15-17］，除了选择反映气候舒适度常用的温湿指数，还要着重考虑风效指数和着衣指数对舒适度的反映，并且通过三者构建舒适度综合指数，作为该地区气候舒适度评价指标。

（1）温湿指数［11］（temperature humidity index，THI）是用温度、湿度表征人体热感舒适程度的指标，THI值越高，人体感觉越热，公式为：

式（1）中，T为温度（℃）；RH为相对湿度（%）。

（2）风效指数［11］（wind effect index，WEI）是用温度、风速、太阳辐射表征人体体表热感舒适程度的指标，WEI值越高，人体感觉越热，公式为：

式（2）中，V为风速（m·s-1）；T为温度（℃）；S为日照时数（h·d-1）。

（3）着衣指数［11］（index of clothing，ICL）是用温度、风速、太阳辐射、人体代谢表征人体着衣舒适程度的指标，ICL值越大，适宜衣着越厚，公式为：

式（3）中，T为温度（℃）；H=87W·m-2，为人体轻活动量代谢率的75%；A=0.06，为人体对太阳辐射的吸收情况；R=1367 W·m-2，为太阳常数［19］；α为该地太阳高度角，β为纬度，夏季α=90°-β+23°26′，冬季α=90°-β-23°26′，春秋季α=90°-β；V为风速（m·s-1）。

（4）舒适度综合指数（com fort comprehensive index，CCI）是基于THI、WEI、ICL建立的综合气候舒适度模型，公式为：

式（4）中，XTHI、XWEI和XICL分别为THI、WEI、ICL的分级值所对应的等级赋值（分级标准和等级赋值见表1），采用专家打分法确定XTHI、XWEI和XICL的权重系数分别为0.6、0.3、0.1。CCI值越高，气候舒适程度越高（表2）［21］。

表1 温湿指数、风效指数和着衣指数的分级标准及赋值Table 1 C lassification and grade standard of TH I，WEI and ICL

表2 舒适度综合指数的等级标准Table 2 CCI grade standard

1.2.2 趋势分析方法

气候倾向率用一元线性回归系数扩大10倍表示，通常以气候倾向率来开展趋势分析，气候倾向率为正（负）表示趋势增加（减少），气候倾向率绝对值越大表示变化程度越大。

1.2.3 Mann-Kendall检验方法［22］

Mann-Kendall（M-K）检验法是适用于水文、气象等一系列非正态分布数据的非参数检验法，对某要素计算得到UF和UB序列，若UF大于0（小于0）表示序列呈上升（下降）趋势；给定显著性水平α=0.05，则临界线为U0.05=±1.96，若UF超过临界线表示变化趋势显著；若UF与UB在两条临界线之间出现交点，则该点为突变时间。

1.2.4 通径分析方法［23］

由于气象因子变量之间存在相关性，相关系数有时并不能反映变量间的关系。通径分析是在多元回归的基础上将回归系数加以分解，用直接通径系数和间接通径系数分别表示自变量x对因变量y的直接影响和x通过变量z对y的间接影响，即把x与y的相关系数rxy，分解为x对y的直接通径系数dx和x通过z对y的间接通径系数rx·zdz。

2 结果分析

2.1 指数的年变化

2.1.1 温湿指数（THI）

1970—2019年呼包鄂地区温湿指数的年变化见图2a，THI最低值出现在1971年为45.18，最高值出现在2014年为49.63。THI以0.57·（10 a）-1的速度呈显著上升趋势，其中在1993—1999年基本呈连续上升趋势，1999年达到历史次高值，随后呈波段上升趋势。内蒙古中部地区在20世纪90年代降水偏多并且增温幅度明显加大［19］，一方面是对全球气候变暖的响应，另一方面是呼包鄂地区城市化水平和工业热排放量高于内蒙古其他地区，该地区气候发生明显变化，因此THI呈明显的连续上升趋势，而进入21世纪后，城镇增温虽然明显，但是降水量逐年明显偏少，所以THI上升趋势放缓。结合M-K检验结果发现（图2b），UF一直大于0，1970—2019年THI呈上升趋势，在0.05的显著性水平临界线范围内，UF和UB的交点即突变年份在1993年，且突变后UF大于临界线值，说明突变后THI呈显著上升趋势。这与内蒙古平均气温在1990年前后突变，突变后呈显著增暖趋势［24］的结论一致。

图2 1970—2019年呼包鄂地区温湿指数年变化（a）和M-K检验（b）Fig.2 Annual change of THI（a）and M-K test（b）in Hohhot-Baotou-Ordos region from 1970 to 2019

2.1.2 风效指数（WEI）

1970—2019年呼包鄂地区风效指数的年变化见图3a，WEI最低值出现在1976年为-622.56，最高值出现在1997年为-478.96。WEI以17.35·（10 a）-1的速度呈显著上升趋势，其中在1996—1997年骤然升高到历史最高值，指数年较差的绝对值达到78，比其他年份的年较差大2倍以上，随后在1997—2000年连续下降，21世纪后呈波动变化，这与内蒙古中部地区20世纪90年代气候发生明显变化，风速大幅下降［20］，温度大幅升高，21世纪后风速下降平缓，温度持续升高有关。结合M-K检验结果可知（图3b），1970—2019年WEI呈上升趋势，在临界线范围内UF和UB无交点即无突变年份，在1982年后开始显著上升。

图3 1970—2019年呼包鄂地区风效指数年变化（a）和M-K检验（b）Fig.3 Annual change of WEI（a）and M-K test（b）in Hohhot-Baotou-Ordos region from 1970 to 2019

2.1.3 着衣指数（ICL）

1970—2019年呼包鄂地区着衣指数的变化见图4a，ICL最低值出现在1997年为1.69，最高值出现在1976年为1.98，ICL最高值和最低值的出现时间与WEI最高值和最低值的出现时间正好相反。ICL以0.02·（10 a）-1的速度呈显著下降趋势，其中在1996—1997年骤然降低到历史最低值，指数年较差的绝对值达到0.2，比其他年份的年较差大3倍以上，随后在1997—2000年连续上升，由此可见ICL与WEI存在明显的负相关关系。结合M-K检验结果可知（图4b），20世纪70—80年代ICL的UF呈波动变化，1987年开始出现下降趋势，1988年突变，突变后继续下降，1993年开始显著下降。

图4 1970—2019年呼包鄂地区着衣指数年变化（a）和M-K检验（b）Fig.4 Annual change of ICL and（a）M-K test（b）in Hohhot-Baotou-Ordos region from 1970 to 2019

2.1.4 舒适度综合指数（CCI）

1970—2019年呼包鄂地区舒适度综合指数的变化见图5a，CCI最低值出现在1976年为4.66，最高值出现在2014年为5.25。CCI以0.07·（10 a）-1的速度呈显著上升趋势，其中在2009—2010年骤然降低，随后呈上升波动变化，这是因为呼包鄂地区在2010年度的气候特征是异常高温干旱，夏季高温在当年是有史以来的最高值，所以舒适度大幅下降。结合M-K检验结果可知（图5b），1970—2019年CCI呈上升趋势，无突变年份，1982年后CCI开始显著上升。

图5 1970—2019年呼包鄂地区舒适度综合指数年变化（a）和M-K检验（b）Fig.5 Annual change of CCI and（a）M-K test（b）in Hohhot-Baotou-Ordos region from 1970 to 2019

2.2 指数和（较）舒适日数的月变化

分析各指数的月变化发现，1970—2019年呼包鄂地区温湿指数的平均月变化呈单峰型（图6a），温湿舒适期（每月舒适A等级和较舒适B/b等级日数之和＞20 d）为5—9月，其中6月舒适和较舒适总日数最多，长达到28 d，7月最少，为21 d。风效指数的平均月变化也呈单峰型（图6b），风效舒适期为4— 1 0月，其中5—9月全月为舒适或较舒适日。着衣指数平均月变化呈单谷型（图6c），着衣舒适期为5—9月，其中8月舒适和较舒适总日数最多，长达到30 d，9月最少，达到24 d。舒适度综合指数平均月变化呈“M”型（图6d），5—6月达到第一峰值，处于舒适A等级，7月CCI下降到较舒适B等级，8—9月达到第二峰值，处于舒适A等级；综合舒适期为4—10月，其中6—8月全月为舒适或较舒适日，舒适A等级日数在5—9月达到21 d以上，在6月最多，舒适率达到93%，7月最少，舒适率达到68%。

图6 1970—2019年呼包鄂地区温湿指数（a）、风效指数（b）、着衣指数（c）及舒适度综合指数（d）的平均月变化Fig.6 Averagemonthly variations of THI（a），WEI（b），ICL（c），and CCI（d）in Hohhot-Baotou-Ordos region from 1970 to 2019

呼包鄂地区四季分明属半干旱大陆性气候，该地区春季干燥多风，冷暖变化剧烈，各舒适指数的月舒适日数在4—5月猛增到25 d；夏季炎热短暂，WEI、CCI全月为舒适日，而THI、ICL的月舒适日数在7月最炎热的时候偏低，但也长达21 d，这说明呼包鄂地区在夏季是良好的避暑之地；秋季降温迅速，各舒适指数的月舒适日数在10—11月骤降到4 d以下；冬季严寒且漫长，各类舒适日数均为0。

由1970—2019年呼包鄂地区不同年际的气候舒适日数月变化可知（表3），THI、WEI、CCI的舒适和较舒适日数在月尺度下的连续变化幅度总体不大，其中THI舒适A等级日数在6—8月连续减少，9月连续增多；较舒适B等级日数从20世纪90年代后在8—9月增多。WEI较舒适b等级日数在7—9月减少，从20世纪80年代在6月减少后维持不变；较舒适B等级5—8月增多。ICL舒适A等级日数在7月连续减少，21世纪后在9月增多。从年累计日数来看，THI的舒适A等级日数从1990年后开始减少；较舒适B等级日数从1980年后增多至53 d，1990年后增多至56 d以上。WEI的舒适A等级日数在1980—1989年减少，1990年后增加；较舒适B等级日数连续增长。ICL的舒适A等级日数在1980—1989年增多，随后减少。CCI舒适A等级日数在7月连续减少（表4），较舒适B等级日数在7月连续增多。从年累计日数来看，舒适A等级日数波动变化，较舒适B/b等级日数连续增多。

表3 1970—2019年呼包鄂地区不同年际间气候舒适各类指数舒适日数月变化Table 3 Monthly changes of climatic com fort days for different climatic indices during different decade stages in Hohhot-Baotou-Ordos region from 1970 to 2019

表4 1970—2019年呼包鄂地区不同年际间舒适度综合指数舒适日数月变化Table 4 M onthly changes of clim atic com fort days for CCI during different decade stages in Hohhot-Baotou-Ordos region from 1970 to 2019

综上，受内蒙古中部地区20世纪90年代气候发生明显变化影响，温度升高导致THI舒适日数在夏季减少，舒适和较舒适日数在秋季略微增多，人体感觉由“凉爽”转向“温暖”；风速下降导致WEI较舒适b等级日数减少，较舒适B等级日数增多，人体感觉由“凉风”转向“暖风”；ICL舒适A等级日数在夏季减少，进入21世纪后在秋季增加，较舒适B等级日数增多，着衣向薄方向转变；而CCI在7月舒适A等级日数减少，但是较舒适B等级日数增多，最炎热月份的舒适和较舒适日数总和达到30 d以上，说明呼包鄂地区在夏季是良好的避暑之地。

2.3 影响气候舒适度各指数的气象因子

区域的气候差异导致气象因子影响气候舒适度的程度也有差异，通径分析是通过分析直接通径系数和间接通径系数来探究本地气象因子对气候舒适度指数作用的大小，从而找出影响本地气候舒适度指数的关键气象因子。

分析通径系数发现，温度、湿度与THI之间的相关系数均通过显著性检验（表5），温度和相对湿度的直接通径系数均通过显著性检验，间接通径系数未通过显著性检验。温度的直接通径系数绝对值最大，说明温度对THI有直接的正向影响。

表5 1970—2019年呼包鄂地区气候舒适度各指数与气象因子的通径系数Table 5 Path analysis between climatic com fort indexes and meteorological factors in Hohhot-Baotou-Ordos region from 1970 to 2019

温度、风速、日照与WEI之间的相关系数均通过显著性检验，并且所有直接通径系数和间接通径系数均通过显著性检验。风速的直接通径系数绝对值最大，温度次之；日照的间接通径系数合计值的绝对值最大，其次是温度和风速。说明（按重要程度排序）风速对WEI有直接的负向影响，温度对WEI有直接的正向影响；同时日照通过风速、温度对WEI有间接的负向影响，温度主要通过风速对WEI有间接的正向影响，风速主要通过温度对WEI有间接的负向影响。

温度、风速与ICL之间的相关系数均通过显著性检验，只有温度的直接通径系数通过显著性检验，说明温度对ICL有直接的负向影响。同时只有风速的间接通径系数通过显著性检验，说明风速通过温度对ICL有间接的正向影响。

温度、风速、日照与CCI之间的相关系数均通过显著性检验，相对湿度与CCI之间无显著相关关系。温度、风速的直接通径系数通过显著性检验并且温度的直接通径系数绝对值大于风速，说明温度对CCI有直接的正向影响，风速对CCI有直接的负向影响，因此温度和风速是影响呼包鄂地区气候舒适度的关键气象因子。温度通过风速、风速通过温度、日照通过温度和风速的间接通径系数通过显著性检验，并且风速的间接通径系数合计值的绝对值最大，其次是日照和温度，说明风速通过温度对CCI有间接的负向影响，日照通过温度、风速对CCI有间接的负向影响，温度通过风速对CCI有间接的正向影响，而相对湿度直接或间接对CCI的影响不大。

2.4 （较）舒适日数的空间分布

1970—2019年呼包鄂地区不同年际的年平均舒适日数和较舒适日数空间分布见图7和图8。分析图7和图8可知，呼包鄂地区舒适A等级日数远大于较舒适B/b等级日数，并且大部分地区舒适日数超过全年三分之一的时间，说明呼包鄂地区人居气候舒适度良好。阴山山脉经过包头市南部（包头）和呼和浩特市北部（武川），山脉南北两侧气候差异明显，山北侧比山南侧的气温低，山北侧比山南侧的风大且频次多，所以舒适日数和较舒适日数的空间整体呈“北少南多”分布特点。

图7 1970—1979年（a）、1980—1989年（b）、1990—1999年（c）、2000—2009年（d）及2010—2019年（e）呼包鄂地区年平均舒适A等级日数空间分布Fig.7 Spatial distributions of average annual number of com fortable days w ith A grade during 1970-1979（a），1980-1989（b），1990-1999（c），2000-2009（d），and 2010-2019（e）in Hohhot-Baotou-Ordos region

分析不同年代际的舒适日数分布可知（图7），1970—1979年呼包鄂地区舒适日数由西南向北方向减少。20世纪80年代较70年代舒适日数明显增多，其中白云鄂博增多39 d，在西部和中部地区舒适日数达到131 d以上。20世纪90年代较80年代舒适日数在北部变化不大，在西部和中部（鄂尔多斯和包头市西南部）明显减少，其中乌审旗河南乡减少71 d，伊克乌素减少26 d。21世纪初较20世纪90年代舒适日数均有增多，在西部和中部地区（除河南乡和伊克乌素区域）的舒适日数增多到131 d以上。近10 a较21世纪初舒适日数在武川县减少30 d，河南乡增多57 d，伊克乌素增多24 d，在西部（除伊克乌素区域）和中部偏南地区达到131 d以上，其中东胜达到141 d以上。

分析不同年代际的较舒适日数分布可知（图8），1970—1979年呼包鄂地区较舒适日数在中部和北部偏少，东南部偏多。20世纪80年代较70年代较舒适日数总体变化不大，其中白云鄂博增多10 d，东南部偏多日数的区域缩小。20世纪90年代较80年代较舒适日数明显增多（除河南乡区域），东南部偏多日数的区域扩大。21世纪初较20世纪90年代较舒适日数在西南部增多，准格尔区域减少，其他区域变化不大。近10 a较21世纪初较舒适日数在西部和北部增多，在鄂尔多斯南部和包头南部较舒适日数增多到81 d以上，在呼和浩特和武川县附近略有减少。整体上看，呼包鄂地区舒适日数波动变化，较舒适日数连续增多，与2.2节结论一致。

图8 1970—1979年（a）、1980—1989年（b）、1990—1999年（c）、2000—2009年（d）及2010—2019年（e）呼包鄂地区年平均较舒适B／b等级日数空间分布Fig.8 Spatial distributions of average annual number of relatively com fortab le days w ith B／b grade during 1970-1979（a），1980-1989（b），1990-1999（c），2000-2009（d），and 2010-2019（e）in Hohhot-Baotou-Ordos region

从气候条件角度分析，温度和风速是影响舒适度关键因子，从20世纪90年代起呼包鄂地区温度大幅升高，鄂尔多斯高原升温显著［25］，风速大幅下降，导致该地区舒适日数普遍减少，而较舒适日数增多，其中伊克乌素属库布齐沙漠，河南乡属毛乌素沙漠，高温使沙漠下垫面舒适日数减少。进入21世纪后，在温度上升平缓，风速下降平缓的气候背景下，舒适日数和较舒适日数增多，但呼包鄂地区北部地势高人口密度低，城市工业化程度低，人类活动造成的升温程度远小于中部地区，所以较舒适日数略有增多，但舒适日数变化不大。受三北防护、荒漠化防治等生态修复工程的影响，毛乌素现已是“沙漠绿洲”，库布齐沙漠治理也有一定成效，所以河南乡和伊克乌素周围区域的舒适日数和较舒适日数增多。东胜气候年平均温度为5℃，周围大量煤矿在21世纪达到开采高峰期，一定程度上提高了城市气温，所以该区域较舒适日数持续增多，舒适日数比周围略偏多。包头和达拉特旗气候年平均温度为7.2℃，加上人口密集，工业生产集中，与周围地区相比，温度偏高，21世纪较舒适日数增多，舒适日先增多后减少。呼和浩特北部的武川县气候年平均温度为3℃，相较城区人口密度偏低，而且2008年后升温速率下降［26］，舒适日数和较舒适日数比周围地区偏少。

3 结论与讨论

（1）在气候变暖背景下，1970—2019年呼包鄂地区温湿指数、风效指数及舒适度综合指数呈显著上升趋势，着衣指数呈显著下降趋势。

（2）1970—2019年呼包鄂地区综合舒适期为4—10月，舒适日数在5—9月达到68%—93%，其中6—8月全月为舒适或较舒适日。在20世纪90年代温度大幅上升，风速大幅下降的气候背景下，温湿舒适性人体感觉由“凉爽”转向“温暖”；风效舒适性人体感觉由“凉风”转向“暖风”；着衣舒适性向轻薄方向转变；最炎热月份的综合舒适和较舒适日数总和达到30 d以上，说明呼包鄂地区非常适宜居住和旅游，在夏季是良好的避暑之地。

（3）影响呼包鄂地区气候舒适度的关键气象因子是温度和风速，其次是日照，相对湿度无太大影响。20世纪90年代气温升高和风速下降，是影响气候舒适度和风效舒适指数变化的根本原因，未来在该区域依据气候舒适度进行旅游资源开发或城市建设时，要重点考虑温度和风速的影响，其次要考虑日照的影响。

（4）1970—2019年呼包鄂大部分地区舒适A等级日数超过全年三分之一的时间，整体呈“北少南多”分布；舒适日数整体呈波动变化，舒适级日数连续增多；工业生产、人类活动、生态环境在一定程度上影响气候舒适和较舒适日数。

（5）呼包鄂地区人居气候舒适度总体良好，避暑旅游条件良好。中部区舒适日数最多，西南部舒适日数增多，可以进一步开发旅游资源。未来城市扩建可以向中部地区舒适日数偏高的地域发展，工厂扩张可以向北部舒适日数偏少或升温率偏低的地域发展。未来人类活动可以通过保护生态环境改变下垫面性质、使用清洁新能源减少工业热量排放来改善和提高气候舒适度。

（6）本文研究结果与秦皇岛［7］、京津冀［11］、北京地区［12］等中国华北地区的气候舒适指数变化趋势一致，各气象要素与各气候舒适指数的相关性良好，说明文中采用的指数适合本地区。使用通径分析法找出影响呼包鄂地区气候舒适度的关键气象因子与大别山地区［27］、黑龙江地区［6］的影响因子不完全一致。未来研究可以采用相同的方法分析中国长三角、珠三角、东北等不同气候区域的气候舒适度变化，及不同地区气象因子对气候舒适度的影响。