基于GridMet模型的浙江省气候宜居性评价

包歆莹 曾燕 邱新法 施国萍 徐震宇

(1 南京信息工程大学 应用气象学院，南京 210044;2 中国气象局交通气象重点开放实验室，南京 210041;3 江苏省气象科学研究所，南京 210041;4 南京气象科技创新研究院，南京 210041;5 南京信息工程大学 地理科学学院，南京 210044;6 浙江省气象安全技术中心，杭州310008)

引 言

气候条件与人类的居住、迁徙息息相关， 气候是人居环境评价的基础指标之一，影响着人们对居住环境的选择。探讨宜居性是城市发展进入到高级阶段的必然性过程[1]。与国外学者将城市宜居性的研究重点放在城市内部人居环境方面，并强调居住适宜的主观感受不同，国内的研究则是更偏重于自然环境与社会发展相结合，服务于未来的城市规划发展方向[2]。宜居，率先指生态环境的适宜[3]。目前大部分的生态宜居性研究在方法上分为主观调查和客观数据两类。通过发放问卷的主观调查法，效率低、精度差，带有较强的主观性。而大数据环境下的客观数据法则基于GIS对DEM及其衍生的栅格数据进行分析[4]，对城市的地形、环境、人文进行综合评价，其评价方法更具可信度，评价结果也更加准确。

伴随着城市大规模加速发展，全球气候变暖不断加剧，极端天气事件频发[5-7]，城市不断遭受到气象灾害的侵扰[8]，威胁着城市居民的生命健康和出行生产安全。全球气候变化已成为未来百年内影响人类生存发展的主要因素之一[9]。在气候变化的大背景下，人们将生态环境宜居性的关注重点放在了气候宜居性上[10]。现有的气候宜居性评价方法多采用选取指标后专家打分[11]或利用现有的气候宜居性综合模型进行评估[12]。这些方法都考虑了气候因子对环境的影响，但气候宜居性作为生态宜居性的一部分，气候因子对社会经济的影响也不可忽视。

因此，为了综合考虑气候宜居性评价的多面性，本文利用气象数据、地理数据和社会经济数据，结合气候适宜性评价和灾害风险评价来综合评价浙江省气候宜居性。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

浙江省位于长江中下游以南地区，东南部分沿海[13]，地处长三角经济带核心部分，拥有着极为强大的经济影响能力[14]。地势由西南向东北倾斜，兼具着平原、丘陵、盆地、山地、海岛和海洋等复杂地形[15]，属于典型的亚热带季风气候[16]，生态系统丰富，气候资源多样[17]。

1.2 数据来源

气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)的1981—2016年日值气象数据集。地形数据来源于国际科学数据服务平台免费网站(http://www.cnic.cas.cn/zcfw/sjfw/gjkxsjjx/)。2015年社会经济数据和2015年土地利用数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn/)。

1.3 气候舒适度评价研究方法

气候条件是人类活动和人居环境的重要影响因子[18]。从气象角度评价人类在不同气候条件舒适程度的生物气象指标，是气候舒适度研究的主要内容[19]。不同的气候要素进行组合会直接或间接影响人体生理，使人体产生不同的身体舒适感受[20]。气象要素对人的影响是复杂的，不宜用气温或其他任何单一的气象要素来对人的体感进行评价[21]。文中根据浙江地理区域及气候特征考虑了3个气象要素：气温、相对湿度和风速作为人体舒适度指标[22-26]，并采用改进的人体舒适度指数(KSSD)公式[27]：

(1)

式中：ICHB为人体舒适度指数;t为气温(单位: ℃)；RH为相对湿度(单位: %)；v为风速(单位: m·s-1)。

按照中国气象局统一规定的标准[28]，人体舒适度可划分为9个等级(表1),并认为1～3级为冷不舒适；4～6级为舒适；7～9级为热不舒适。

表1 中国气象局人体舒适度指数等级标准[29]Table 1 Human comfort index of China Meteorological Administration[29]

浙江多山，地势复杂[30]，为充分考虑地形因素，特别是山区对气象要素的影响，文中的气温、相对湿度数据是利用GridMet系列模型中的月平均气温模型GMCT和月相对湿度模型GMCH，在充分考虑了海拔、太阳辐射和长波辐射对气温的显著影响后，利用数据集群建立区域优化的分站分月模型，计算精细化的气温和相对湿度结果[31]。同时订正不同下垫面的近地层风速[32]，最终得到起伏地形下的人体舒适度指数作为气候舒适度评价结果。

1.4 多灾种自然灾害综合风险评价研究方法

多灾种综合风险评价是以单灾种风险评价为基础，两种风险评估的方法基本相同，区别主要在于：多灾种综合风险评价是将动力来源不同、特征各异的多种自然灾害综合到一个评价体系中进行评估，反映一定区域内不同类型的多种致灾因子引起的环境、社会经济损失总和，从而对综合危险程度进行划分[33]。

表2 气象灾害指标Table 2 Meteorological disaster indicators

1.4.1 评价方法

灾害风险度的大小由致灾因子危险性、承灾体暴露度和承灾体脆弱性决定。基于GIS技术建立评价指标体系，采用政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC)提出的最新的风险表达，即公式(2)，将归一化后的致灾因子危险性、承灾体暴露度和承灾体脆弱性加权后综合评价，得到多灾种自然灾害综合风险评价。

Risk=Wh×H+We×E+Wv×V，

(2)

式中：Risk为多灾种自然灾害风险指数；H、E、V分别表示致灾因子危险性、承灾体暴露度和承灾体脆弱性因子；Wh、We、Wv则分别为致灾因子危险性、承灾体暴露度、承灾体脆弱性指标的权重。

1.4.2 评价指标

通过查阅已有的同地区灾害文献和浙江省历年气象灾害年鉴，对所选用的灾害发生数量和影响情况进行统计选出对人们日常出行、生产生活和生理心情产生较大影响的3种气象灾害，分别是高温[34]、连阴雨和台风，并利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process， AHP)赋予各指标权重，如表2所示。

1.5 气候宜居性评价研究方法

本文尝试将气候舒适度评价和多灾种综合风险评价两种评价结果进行处理后叠加，作为气候宜居性评价方法。鉴于研究的3种气象灾害并不是在每个月都会发生，因此将各月的人体舒适度评价结果归一化后，以每个月发生灾害的概率为权重进行叠加得到总人体舒适度评价结果后(公式(3))，再与多灾种自然灾害风险评价的结果相加，最终得出气候宜居性(公式(4))。

ICHB总=α1×I1+α2×I2+α3×I3+…+
α11×I11+α12×I12，

(3)

C=ICHB总+Risk，

(4)

式中：ICHB总为总人体舒适度；α1…α12为每个月发生灾害的概率；I1…I12为每个月的人体舒适度；C为气候宜居性；Risk为多灾种综合风险评价。

2 结果

2.1 气候舒适度评价

将所需的气象要素站点资料进行多年平均处理后，选取4月、7月、10月和1月作为代表月份，分别代表春、夏、秋和冬的人体舒适度指数评价结果，如图1所示。由图可见，浙江省人体舒适度有8个等级，舒适度等级主要集中在2～7级，无酷热等级(9级)出现。

图1 人体舒适度评价空间分布: (a) 4月; (b) 7月; (c) 10月;(d) 1月Fig.1 Spatial distribution diagram of human comfort evaluation: (a) April;(b) July;(c) October;(d) January

春季体感主要以凉爽和舒适为主，凉爽区域主要分布在西北边界、东南沿海和西南地区，舒适区域大部分分布在东北部、中部和东南部，体感为凉的区域主要集中在西北边界和西南边界处。夏季体感以暖和为主，体感为热的地区主要分布在北部、东北部和中部偏西地区，还有小部分位于东南沿海下部地区。体感舒适的区域较少，主要集中在浙江南部。秋季体感大部分地区为舒适，凉爽和凉的区域主要分布在西北边界处及中南部地区。冬季体感主要是冷、凉，体感凉爽的地区稀少，零散分布在南部靠东的区域。

为了更好地了解人体舒适度指数的年变化趋势，分析了每个月人体舒适度指数的平均值，如图2所示。浙江省大部分月份的平均人体舒适度指数都处于舒适级别，总体而言，宜居性较好。

图2 浙江省人体舒适度年变化Fig.2 The annual trend of human comfort in Zhejiang

由此可见，浙江春季舒适凉爽，除极少区域较冷以外，其余地区在该季节均有较好的气候舒适度；夏季气候闷热舒适度较差，处于平原的北部、东北部和中部偏西地区尤其明显，需要避暑，减少户外活动，全省范围内只有少数南部山区处于舒适范围；秋季大部分地区都处于体感舒适的区域，因此该季节气候舒适度很高；冬季整个浙江省体感都是冷、凉，部分地区体感甚至达到寒冷，生活出行需要注意保暖。

2.2 多灾种自然灾害综合风险评价

将气象站点数据、社会经济数据和地理数据插值处理后按不同权重叠加，得到多灾种综合风险评价空间分布(图3)。由图3a可知，浙江省灾害的高危区域主要集中在东南沿海和内陆中部偏南地区。这是因为东南沿海是台风高发地区，雨量充沛，相对湿度大，加上地势较为平坦，容易吸收太阳辐射造成高温灾害。浙江省南部与福建省接壤，福建也是高温和台风发生的高频地区，致灾因子危险性高。由图3b可知，浙江省大部分地区暴露度较低，暴露度较高的区域主要集中在内陆西南部和中南部地区，其余高暴露度地区较均匀地分散在省内。复杂的山地地形和密集的人口使得这些地区灾害暴露度高。承灾体脆弱性等级较高的区域主要集中在北部、东北部、中部偏西区域和一小块东部区域(图3c)，这由于这些区域地势平坦，城市集中，且经济发达、人均GDP高，在灾害发生时受到的经济损失会远高于其他区域。浙江较高和高风险区大部分分布在东南部和南部地区，部分分布在东北部沿海，还有一小部分分布在北部靠近中部地区(图3d)。这些地区自然灾害风险高的原因并不相同。东南部地区是由于临海，受到高温、台风等极端气象灾害影响严重；南部地区是因为地型起伏较大，地理环境复杂且人口稠密，人为生产活动会对气候环境造成很大影响。东北部和北部靠近中部地区则是由于人均GDP高一旦发生气象灾害，其造成的经济损失会很高。整体来看，浙江省大部分区域都处于中低风险区，且风险等级呈由西北向东南逐渐升高的趋势。

2.3 气候宜居性评价

气候宜居性是气候舒适度评价和灾害综合风险评价共同作用下的结果，将两者叠加后，浙江省的气候宜居性结果，如图4所示。由图4可知，气候宜居性高和较高的地区主要分布在浙江的北部和中部偏西地区。在灾害评价中，这些地区灾害风险等级都较低，只有北部一块地区属于灾害高风险区域，分析成因可发现是由其脆弱性较高造成的。这块地区地处杭嘉湖平原，城市密集、经济发达，虽有较好的抗风险能力但是发生灾害后造成的经济损失也会高于其他地区，如处于北部偏西的湖州市。在气候舒适度评价中，这些气候宜居性高的地区在春、秋两季体感都非常舒适。冬季整个浙江省体感舒适度都偏冷，到了夏季气候宜居性高的地区大部分体感偏热，这是由于这些地区地形平坦，地面吸收辐射多且城市的热岛效应也会对体感有一定影响。

气候宜居性一般的地区主要集中在东南沿海地区和北部偏西的小部分区域。从灾害风险评价分析，这些地区灾害风险基本都属于中等级别；从气候舒适度分析，这些地区除冬季偏冷以外，春季体感凉爽、夏季体感暖和、秋季体感舒适。两者叠加，使得气候宜居性尚可。

图3 多灾种综合风险评价空间分布: (a) 致灾因子危险性;(b) 承灾体暴露度;(c) 承灾体脆弱性;(d) 多灾种综合风险Fig.3 Spatial distributions of multi-hazard comprehensive risk assessment: (a) hazard distribution of hazards;(b) exposure of hazard-bearing body;(c) vulnerability of hazard-bearing body;(d) comprehensive risk distribution of multiple hazards

气候宜居性低和较低的地方集中在浙江的西南部，以及西北部和东南、东北部的小部分地区。首先，从灾害风险评价的角度来分析：西南部气候宜居性低是由于地形起伏较大、西北部部分地区则是由于人口密集，复杂的地理环境和频繁的人为活动极大地影响了这里的气候环境，以省内行政区域面积第二大的丽水市为例，由于地形起伏较大，山地分布集中使其气候宜居性低的区域要多于其他地区；而东南、东北部小部分地区气候宜居性低的主要原因是其临海的地理位置导致灾害台风等极端灾害发生频繁，次要原因是沿海地区人口密度较大、灾害造成的经济损失大，例如嘉兴市、宁波市和台州市部分地区。其次，从气候舒适度角度来分析：西南部和西北部气候宜居性低的地方在春季、秋季和冬季的体感皆为冷、凉，气候舒适度差；东南、东北部气候宜居性低的地区则在春、秋两季气候舒适。由此可知：西南、西北部地区气候宜居性低是由舒适度和灾害两者共同作用形成的，而东南、东北部气候宜居性低的地区则是受灾害影响更多，需要防范灾害性天气的发生，以免造成较大的经济损失。

图4 浙江省气候宜居性空间分布Fig.4 Spatial distribution of climate livability in Zhejiang

为了定量分析浙江省的气候宜居性，统计了整个浙江省气候宜居性的各等级占比(图5)，气候宜居性处于较高等级的占比最多为40.40%，一般等级的次之，接下来是高等级、较低等级，其中低等级最少只有6.62%。将高、较高和一般这3个等级所属区域划分为气候宜居性适宜区，较低和低两个等级的区域称为气候宜居性不适宜区，则适宜区数量占比达到了80.99%，不适宜区占比只有19.01%。其中，不适宜区以地形和人口等灾害评价为决定因素的占大多数，舒适度评价为决定因素的区域较少。

图5 浙江省5个等级气候宜居性占比Fig.5 The five levels proportion of climate livability in Zhejiang

由图4和图5可知，浙江省大部分区域都处于气候宜居性适宜区，为气候宜居省份，适宜区分布由西南向东北逐渐增多。

作为气候宜居省份本文统计了浙江省直辖的11个市适宜区和不适宜区的数量并计算了各市的气候宜居性适宜率，结果如图6所示。

选取5个浙江省内公认的，同时兼具代表性的宜居城市：“鱼米之乡”——嘉兴市、“东方威尼斯”——绍兴市、“水云之乡”——湖州市、“人间天堂”——杭州市和“神奇山水”——衢州市。再基于《GN中国宜居城市评价指标体系》，对中国289个城市进行调查、研究、评价，产生的中国十佳宜居城市排行榜里上榜9次的“江南邹鲁”——金华市，来比较气候宜居性适宜率。这6个城市气候宜居性适宜率(图6)分别为：嘉兴市98.73%、绍兴市88.72%、湖州市87.75%、金华市82.46%、杭州市80.28%和衢州市79.14%，适宜区面积均占城市总面积的八成以上。

图6 浙江省各市气候宜居性适宜率所占比例Fig.6 Proportion of suitable rate of climate livability in various cities in Zhejiang

结合图7，从地理位置上看，这6个城市都集中在浙江的北部和中部偏西这些气候宜居性等级高和较高的区域，灾害风险等级低、气候舒适度高；6个城市气候宜居性皆以较高等级为主导，非常适宜居住。

气候条件是宜居城市评选的基础，虽然决定了宜居城市的地理分布，但城市的最终确定仍需要通过其他指标条件的筛选。目前，我国宜居城市评选的所采用的《GN中国宜居城市评价指标体系》，选取包括生态环境健康指数、城市安全指数、生活便利指数、生活舒适指数、经济富裕度、社会文明指数、城市美誉度在内的一级指标(7项)和二级指标(48项)，来对参选城市现阶段发展规模和未来上升潜力进行多方位综合评估。即气候宜居性是确定宜居城市分布的先决条件，但宜居城市的最终评定需要综合其他指标的考量。

气候宜居性研究的必要性除了体现在它作为评价城市宜居与否的一项重要参考指标，更可以为城市的旅游发展、经济产业结构的调整分配以及城市的规划建设、灾害预警以及防灾减灾提供全局性思维，让宜居城市的未来前进方向更加明确、人民群众的生活更加美好。

3 结论

通过气候舒适度评价、多灾种自然灾害风险评价以及综合前两者的气候宜居性评价，得出以下结论：

(1)浙江省气候舒适度在春季和秋季较好，体感多为凉爽和舒适；夏季大部分地区偏热，只有少部分地区舒适；冬季气温偏低，舒适度较差。

图7 宜居城市气候宜居性空间分布: (a) 嘉兴;(b) 绍兴;(c) 湖州;(d) 衢州;(e) 杭州; (f) 金华Fig.7 Spatial distributions of livable city climate livability: (a) Jiaxing;(b) Shaoxing;(c) Huzhou;(d) Quzhou;(e) Hangzhou; (f) Jinhua

(2)浙江省气象灾害风险高的地区主要分布在东北部、东南沿海和南部山地地区。东北部是由于承灾体脆弱性低，一旦发生灾害经济损失高；东南沿海是由于其地理位置极易遭受极端气象灾害的影响；南部山区则是由于其复杂的地形环境和较为稠密的人口。

(3)浙江省整体的气候宜居性较高，大部分区域气候宜居性处于较高和高的等级，尤其是在北部和中部偏西的平原地区分布较为集中。东海沿海地区宜居性尚可但易受台风灾害的影响，须注意防范灾害发生。

目前，本文只是针对城市宜居性的气候方面进行了多方位分析，但城市宜居性并不只是气候宜居，未来如果要对宜居性的其他方面进行深入讨论，就需要融合城市建筑群、医疗保障水平和发展潜力等其他数据进行讨论。而受资料所限，这些分析尚存在一定的难度，如果数据详尽，宜居性分析结果将更加全面、精细。