基于通用热气候指数的四川省舒适度区划研究

王 婷 , 孙 亦

（四川省气象灾害防御技术中心, 成都 610072）

引言

随着我国国民经济的飞速发展，人体舒适度作为评价人类在不同气候条件下舒适感的一项生物气象指标，其气象服务对各类人群的日常生活[1−3]、身心健康[4−7]以及社会经济等具有重要作用。研究室外环境舒适度，可为城市快速扩张的背景下室外居住环境和居民生活品质的改善提供理论基础[8−9]。同时，准确及时的室外热环境舒适度信息对游客制订出游计划、旅行社选择旅游线路、旅游地资源开发、旅游产品设计与营销以及旅游地基础设施建设具有重要指导意义[10]。

人体感知室外热环境是否舒适除受气温影响外，还与湿度、风速、辐射及人体代谢、服装热阻等诸多因素有关。由国际生物气象学会提出的通用热气候指数（Universal Thermal Climate Index，UTCI）模型是当前考虑因素最全面、最具普适性的机理模型[11]。其中“通用”主要体现在两个方面：一是适用于各种时间和空间尺度，与经验模型不同，不受地域、时间、人种等因素的限制；二是可以广泛应用于城市气象服务、劳动环境评估、区域及旅游规划等各个领域[12]。该模型主要包含两个模块，即Fiala模型（多节点人体热调节模型）和自适应穿衣模型（图1）。UTCI模型以气象资料为基础，模拟基于标准参照环境的实际热环境下的人体感知温度，其中标准参照环境包括：①气象因子。环境辐射温度等于气温，地面上方10 m处风速为0.5 m/s，相对湿度为50%；②非气象因子。步行速度为 4 km/h 的成年男子(人体代谢率为 135 W/m2)[13−17]。目前，国内外已使用UTCI对室外热环境进行大量评估与应用，包括历史、当前和不同排放情景下未来气候热环境特征[18−22]，城市与郊区热环境对比分析及热岛效应造成的热应力特征[23]，室外劳动者热环境评价及环境热应力对健康和工作效率的影响[24−27]，环境热应力对足球、马拉松等运动员身体机能和成绩的影响[28−29]，表征热浪强度和风险影响[30−32]，以及基于旅游目的舒适月份参考[33−35]和避暑（寒）气候区划[12,36−37]等。

图1 UTCI模型

本文选取四川省156个国家气象站1980～2020年逐日观测资料、2018～2020年逐时观测资料以及3DCloudA[38]总云量数据，采用通用热气候指数（UTCI），研究四川地区舒适度区划，以期为改善人居环境、开发旅游资源以及提升气象服务水平提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

数据来源于国家气象信息中心牵头建设的全国综合气象信息共享平台（CIMISS），包括气象观测资料和实况融合格点资料，详见表1。

表1 使用数据说明

气象观测资料：四川省156个国家气象站1980～2020年逐日平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、风速、总云量、日照时数和2018～2020年逐时气温、相对湿度、风速数据。

实况融合格点资料：2018～2020年3DCloudA总云量数据，空间分辨率5 km×5 km，时间分辨率为1 h。

1.2 方法

1.2.1 替换缺测云量

根据国家观测标准，自2014年起仅有基准站、基本站保留云量观测，导致云量数据不能满足计算要求。因此需要用估算或其他资料替换缺测时次的总云量数据。

日数据总云量缺测替换：采用日照百分比与100%的差值估算日平均总云量[10,39−40]。以每日平均的太阳高度角估算日出、日落时间，获得每日最大日照时数（SSHMAX），计算日照百分比（SSR），具体公式如下：

小时数据总云量缺测替换：采用临近差值方法提取2018～2020年融合产品3DCloudA的总云量（Total Cloud Cover，TCC）作为各站点的小时总云量（N）。

1.2.2 UTCI计算

虽然Blazejczyk[41]集成了UTCI计算模块，但其无法进行数据的批量处理，效率较低。因此，本文根据Bröde等[14]研发的UTCI计算公式，利用Python编程进行批量计算。其具体关系式为：

式中：i为avg、max、min、h；TEM为2 m温度（℃）；RHU为相对湿度（%）；WIN为风速（m/s）；N为总云量；lat为该站点纬度；lon为该站点经度；time为时间，小时数据中time为北京时，日数据中time均为当日的本地时10:30；offset表示由温度、湿度、风速、辐射造成的人体生理感知温度与气温的偏移，在计算中由对应系数化为温度单位（℃）；TR为平均辐射温度（℃），可根据总云量、时间、经纬度等要素计算得出[42−46]。

根据上述公式，计算出四川省156个站点1980～2020年逐日UTCIavg、UTCImax、UTCImin以及2018～2020年逐时UTCIh。在分析四川省UTCI时空特征时，剔除了由于部分数据缺测而无法计算UTCI的时次，各站点逐日、逐时可计算UTCI的时次占比均在97%以上。

1.2.3 舒适热环境

根据UTCI冷热应力等级、人体生理反应划分舒适度等级[12]，详见表2。确定当UTCI介于9～26℃时，为无热应力区间，人体皮肤、直肠温度几乎无变化，人体热调节基本处于稳定状态，人体热平衡模型中“人体蓄热率（S）”接近于零，即室外热环境为舒适状态[36]。当UTCI>26℃时，环境产生热应力，皮肤、直肠温度温度增加，人体热平衡模型中“人体蓄热率（S）”为正，认为室外热环境为偏热。当UTCI<9℃时，环境产生冷应力，皮肤、直肠温度温度增加，人体热平衡模型中“人体蓄热率（S）”为负，认为室外热环境为偏冷。

表2 UTCI等效温度的热应力等级、人体生理反应及舒适度等级划分

1.2.4 发生概率

针对不同时间尺度（年、月、日）统计UTCIavg、UTCImax、UTCImin、UTCIh呈现为舒适热环境的概率，具体公式如下：

式中：当统计年概率时，m为该年总样本数，n为某站点UTCIi在该年为舒适时（9～26℃）的样本数；当统计月概率时，m为1～12月某月总样本数，n为某站点UTCIi在该月为舒适时的样本数；当统计日概率时，m为00～23 时中某小时总样本数，n为某站点UTCIh在该小时为舒适时的样本数。

1.2.5 舒适度区划

方法一：根据各站点UTCIh在24 h逐时发生舒适热环境频率及其24 h平均发生概率的特征，筛选每个站点发生舒适热环境概率最高值并找到其对应时次。规定：当发生舒适热环境的概率最高值＜0.6时为全天不舒适，即24 h任意时刻在全年处于舒适状态的占比<60%；当概率最高值≥0.6且平均概率＜0.6时，若概率最高值发生在08～19时为日间较舒适，其他时段则为夜间较舒适；当概率最高值≥0.6且平均概率≥0.6时，若概率最高值发生在08～19时为日间舒适，反之为夜间舒适；当概率最低值≥0.6则为全天舒适，即24 h任意时刻在全年处于舒适状态的占比>60%。

方法 二：根 据UTCIavg、UTCImax、UTCImin、UTCIh在12个月每月发生舒适热环境频率的特征，筛选每个站点发生舒适热环境概率最高值并找到其对应时间。分析各站点UTCI指标的舒适热环境月变化特征发现，其变化曲线主要分为3种状态：单峰型，峰值位于6～9月；单谷型，谷值位于6～9月，1～3月、12月为高值，该种特征相对较少；双峰型，是最典型的分布特征，其峰值出现在4～5月和10～11月，并且峰值大小相近，因此将春秋季合并分析。根据舒适区划分标准（表3）可将四川省分为4个舒适区，分别是夏季舒适区、春秋舒适区、冬季型舒适区和人体不舒适区。该划分方法着重体现各站点的主要舒适特征，对可能存在的其他舒适特征定义为“附加舒适属性”，即UTCIi中两个及以上要素在某一季节各月均≥0.6或UTCIi中两个及以上要素最大发生概率在该季节且≥0.6。

表3 四川省舒适区划分标准

2 结果分析

2.1 四川省UTCI时空特征

图2给出了1980～2020年平均UTCIavg、UTCImax、UTCImin和2018～2020年平均UTCIh空间分布。如图所示，UTCIavg与UTCIh的空间分布相似，均表现为峨眉山和川西高原除阿坝州南部外地区偏冷的特征；UTCImax表现为攀西地区南部偏热的特征；UTCImin表现为峨眉山、川西高原和攀西地区北部偏冷的特征。综合来看，四川盆地、攀西地区中部较为舒适宜居；攀西地区南部偏热；攀西地区北部及川西高原偏冷，其中川西高原北部相对更加寒冷。

图2 1980～2020年平均UTCIavg（a）、UTCImax（b）、UTCImin（c）和2018～2020年平均UTCIh（d）空间分布（单位：℃）

图3给出了1980～2020年平均UTCIavg、UTCImax、UTCImin和2018～2020年平均UTCIh为舒适热环境的概率空间分布。如图所示，UTCIavg在盆地和攀西地区大部、阿坝州南部舒适热环境的发生概率>60%，表明盆地和攀西地区大部、阿坝州南部为相对宜居的地区；UTCImax在川西高原和攀西地区北部舒适天气发生概率>60%，UTCImin在盆地大部和攀西南部地区舒适天气发生概率>60%，说明川西高原和攀西地区北部在暖季更舒适，而盆地和攀西地区南部地区在冷季更舒适；UTCIh在盆地西部和南部、攀西地区大部舒适热环境发生概率>60%，对照UTCImax和UTCImin的分布特征，盆地西部和南部、攀西地区南部可能在冷季每日有较多时次为舒适热环境状态，而攀西地区北部暖季每日有较多时次为舒适热环境状态。

图3 1980～2020年平均UTCIavg（a）、UTCImax（b）、UTCImin（c）和2018～2020年平均UTCIh（d）为舒适热环境的概率空间分布

2.2 舒适度区划

根据UTCIavg、UTCImax、UTCImin、UTCIh各站点每月舒适天气发生概率，以及UTCIh各站点每小时舒适天气发生概率，对四川省热环境进行舒适度区划，其空间分布如图4所示。根据区划方法一，156个站点中不舒适区域18个，全天舒适区10个，日间较舒适14个，日间舒适9个，夜间较舒适39个，夜间舒适66个。根据区划方法二，156个站点中人体不舒适区14个，冬季舒适区8个，夏季舒适区33个，春秋舒适区101个；其中冬季舒适区在春秋季也基本存在舒适的特征，盆地东南部部分春秋舒适区存在冬季舒适的特征，攀西部分地区和盆地与高原交接的部分地区存在夏季和春秋季舒适的特征，不舒适区中大部分存在夏季舒适的特征。综上所述，盆地绝大部分地区为夜间舒适和春秋舒适，是较为典型的温带气候特征；阿坝州南部、甘孜州西部和凉山州北部为日间舒适和夏季舒适，是高海拔地区夜间和冬季较为寒冷的特征；攀西地区南部出现的全天舒适可能是由于该区夏季夜间温度低且冬季日间温度高导致的；甘孜州北部、中部和阿坝州北部在两种区划方法中均表现为人体不舒适的特征，其中甘孜州中部存在夏季舒适的附加特征。

图4 四川省舒适度区划（a. 方法一，b. 方法二）

以上分区中存在较为典型的5个组合，选择代表站点进行对比分析：不舒适区和人体不舒适区（石渠）、夜间舒适区和冬季舒适区（米易）、日间舒适区和夏季舒适区（巴塘）、夜间舒适和春秋舒适区（荣县）、全天舒适区和夏季舒适区（西昌），如图5所示。

图5 五个典型舒适区UTCI舒适热环境发生概率的时间变化特征（从上至下依次为石渠、米易、巴塘、荣县、西昌，从左至右依次为日、月、年变化）

以石渠县（56038）为代表的不舒适区，舒适热环境日发生概率在各时次均不足30%；舒适热环境月发生概率UTCImax仅有在7～10月达到60%以上，全年UTCImin月发生概率几乎为0，冬季UTCImax月发生概率也几乎为0，UTCIavg和UTCIh全年均在50%以下；UTCIavg舒适热环境年发生概率在10%以下，UTCImax年发生概率在40%以下但存在增加的趋势。上述特征说明此类区域冬季和夜间寒冷，夏季仅在日间相对舒适，但昼夜温差极大，总体呈不舒适的气候特征。

以米易县（56670）为代表的夜间冬季舒适区，舒适热环境日发生概率在20时～次日07时在60%以上；UTCImax舒适热环境月发生概率在1、2、12月达到60%以上，在12月达到最大，5～10月UTCImin月发生概率几乎为100%，5～9月UTCImax月发生概率低于20%，UTCIavg和UTCIh在1～4月、9～12月的月发生概率高于60%，7～9月UTCIavg和UTCIh月发生概率在60%以下；UTCIavg和UTCImin舒适热环境年发生概率在60%以上，UTCImax年发生概率约为40%并存在减少的趋势。上述特征说明此类区域冬季日间舒适，夏季夜间舒适，夜间舒适的时段更长，相对而言冬季和春秋季比夏季更舒适。

以巴塘县（56247）为代表的日间夏季舒适区，舒适热环境日发生概率从20时开始递增，在12时左右达到最大；UTCImax舒适热环境月发生概率在1～4月、11～12月达到80%以上，在11月达到最大，对应月份UTCImin月发生概率低于10%；6～8月UTCImax月发生概率也低于20%，对应月份UTCImin月发生概率超过90%；4～10月UTCIavg和UTCIh在60%以上；UTCIavg、UTCImax年发生概率在60%以上。上述特征说明此类区域冬季白天舒适，夏季夜间舒适，日间舒适的时段更长，相对而言夏季和春秋季比冬季更舒适。

以荣县（56394）为代表的夜间春秋舒适区，舒适热环境日发生概率在20时～次日07时在60%以上；UTCIavg、UTCImax、UTCImin、UTCIh舒适热环境月发生概率均呈现双峰特征，峰值基本位于3～5月、10～11月；UTCIavg、UTCImin年发生概率超过60%，UTCImax年发生概率介于50%～60%。上述特征说明此类区域春秋季舒适，夜间舒适的时段更长。

以西昌市（56571）为代表的全天和冬季舒适区，舒适热环境日发生概率24 h均在60%以上；UTCImin舒适热环境月发生概率在4～10月达到60%以上，2～11月UTCIavg、UTCImax、UTCImin、UTCIh舒适热环境月发生概率高于60%，UTCImax月发生概率在1～3月、10～12月超过60%；UTCIavg年发生概率在80%以上，UTCImin和UTCImax年发生概率约为60%。上述特征说明此类区域全天均较舒适，相对而言夏季和春秋季比冬季更舒适。

3 结论与讨论

本文基于气象观测资料和实况融合格点资料，应用通用热气候指数（UTCI），研究了四川地区舒适度区划，得到如下主要结论：

（1）四川盆地、攀西地区中部较为舒适宜居；攀西地区南部偏热；攀西地区北部及川西高原偏冷，其中川西高原北部相对更加寒冷。

（2）四川盆地大部分地区为夜间和春秋舒适；阿坝州南部、甘孜州西部和凉山州北部为日间和夏季舒适，可作为首选避暑气候区；甘孜州中部有夏季舒适特征，可作为避暑气候区；攀西地区南部、盆地东南部有冬季舒适的特征，可作为避寒气候区；甘孜州北部和阿坝州北部表现为人体不舒适的特征。

需要指出的是，本文定义的舒适热环境是基于人类生理特征在长期处于无热应力情况下的平均值，对于老人、小孩、病人等特殊人群可能存在差异，针对不同人群可能需要调整无热应力的判定阈值。此外，本文以气象站点代表本区县的总体特征较为粗糙，不能完全表征四川省舒适热环境，需要借助精度和准确性较高的再分析数据[48−49]做进一步研究。