陳玲麗,鄭 西,周小涵,劉思洋,羅 煜,王鳳仙

(1.貴州省普定縣氣象局,貴州 普定 562100;2.湖北省嘉魚(yú)縣氣象局,湖北 嘉魚(yú) 437200;3.貴州省安順市氣象局,貴州 安順 561000)

0 引言

在全球氣候變暖的趨勢(shì)下,人居環(huán)境氣候舒適度已是大家熱議的話題。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已對(duì)相關(guān)氣候適宜度進(jìn)行了相關(guān)研究[1-6],劉恒等[7]利用溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)以及人體舒適度指數(shù)對(duì)濟(jì)源市人居環(huán)境氣候適宜性進(jìn)行了研究;尹文娟等[8]通過(guò)人居環(huán)境舒適度研究為人居環(huán)境建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù);呂拉昌等[9]通過(guò)人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)對(duì)城市的創(chuàng)新影響進(jìn)行深入分析。

普定縣地處長(zhǎng)江水系和珠江水系分水嶺地帶,屬亞熱帶高原季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,全年氣候溫和,但目前針對(duì)該縣人居環(huán)境氣候適宜度的分析尚不多見(jiàn)。本文研究基于謝亞玲等[10]引用的人體舒適度指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)引入氣象要素與污染物濃度的相關(guān)性以及人體舒適度指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的相關(guān)性研究[11-12]概念,對(duì)普定縣的人居環(huán)境氣候條件進(jìn)行了分析,為公眾養(yǎng)生休閑規(guī)劃提供參考。

1 材料和方法

1.1 資料來(lái)源

1971年1月1日—2022年2月28日逐日平均氣壓、平均氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣象資料來(lái)源于普定國(guó)家氣象觀測(cè)站。2021年1月1日—2022年2月28日SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5日均濃度以及每日空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)等資料來(lái)源于安順市生態(tài)環(huán)境局普定分局。季節(jié)劃分以3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月—次年2月為冬季。

1.2 研究方法

利用線性趨勢(shì)方程分析普定縣地面觀測(cè)氣象要素的年際、逐月變化特征,采用人體舒適度指數(shù)指標(biāo)進(jìn)行氣候舒適度分析,同時(shí)利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)[13]分析普定縣2021年氣象要素日值與空氣污染物濃度的相關(guān)性以及人體舒適度與空氣質(zhì)量的逐月、季節(jié)變化特征。

1.2.1 人體舒適度指數(shù)計(jì)算公式[10]:

(1)

式中,BCMI為人體舒適度指數(shù)(表1);T為平均氣溫(單位:℃);RH為平均相對(duì)濕度(單位:%);V為風(fēng)速(單位:m·s-1)。

表1 人體舒適度指數(shù)(BCMI)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式[13]:

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 普定縣氣候特征分析

2.1.1 氣溫 圖1a顯示了普定縣1971—2020年平均氣溫的年際變化特征。在全球變暖的大背景下,普定縣近50 a平均氣溫在14.3～16.2 ℃之間,總體呈顯著上升趨勢(shì),氣候傾向率為0.2 ℃/10 a,并通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。常年月平均氣溫最高為23.0 ℃,出現(xiàn)在7月;月平均氣溫最低為5.5 ℃,出現(xiàn)在1月。由此可見(jiàn),普定縣近50 a平均氣溫呈增暖趨勢(shì)。

圖1 普定縣1971—2020年平均氣溫(a)、平均相對(duì)濕度(b)年際變化趨勢(shì)

2.1.2 相對(duì)濕度 由圖1b看出,普定縣近50 a年平均相對(duì)濕度在70.0%～83.0%之間,呈顯著降低趨勢(shì),氣候傾向率為-1%/10 a,并通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。普定縣常年逐月平均相對(duì)濕度在73.6%～81.6%之間波動(dòng),全年平均相對(duì)濕度最大值為81.6%,出現(xiàn)在1月;最小值為73.6%,出現(xiàn)在4月。由此可見(jiàn),普定縣近50 a平均相對(duì)濕度呈降低趨勢(shì)。

2.1.3 風(fēng)速 由圖2a看出,普定縣1971—2020年的年平均風(fēng)速在1.1～3.0 m·s-1之間波動(dòng),整體呈弱上升趨勢(shì),未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn),氣候傾向率為0.04 m·s-1/10 a。普定縣常年逐月平均風(fēng)速在1.7～2.2 m·s-1之間波動(dòng),風(fēng)速小,變化幅度不大。由此可見(jiàn),普定縣近50 a平均風(fēng)速呈增大趨勢(shì);且風(fēng)速年際變化趨勢(shì)與平均濕度年際變化趨勢(shì)基本一致,但其月變化呈反相位,風(fēng)速在1993—2003年波動(dòng)最大,而濕度在2009—2014年間變化幅度最大。

圖2 普定縣1971—2020年平均風(fēng)速年際變化趨勢(shì)(a)、日照時(shí)數(shù)年際變化趨勢(shì)(b)

2.1.4 日照 由圖2b可以看出,普定縣近50 a年日照時(shí)數(shù)在878.3～1580.7 h之間,整體呈顯著上升趨勢(shì),氣候傾向率為32.5 h/10 a,并通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。普定縣常年逐月日照時(shí)數(shù)最多達(dá)到161.3 h,出現(xiàn)在8月;最少值為44.9 h,出現(xiàn)在1月。由此可見(jiàn),普定縣近50 a日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)。

2.1.5 降水 由圖3a可以看出,普定縣1971—2020年逐年降水量總體呈弱減少趨勢(shì),但變化不明顯,未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn),氣候傾向率為-26.8 mm/10 a;且年降水量最多為1769.3 mm,出現(xiàn)在2008年;年降水量最少為758.3 mm,出現(xiàn)在2013年。普定縣常年逐月降水量最多294.2 mm,出現(xiàn)在6月;降水量最少僅16.9 mm,出現(xiàn)在12月。由此可知,普定縣近50 a降水量呈減少趨勢(shì);降水年際變化與氣溫的年際變化呈反位相,但其月變化基本一致。

圖3 普定縣1971—2020年降水量年際變化趨勢(shì)(a)、平均氣壓年際變化趨勢(shì)(b)

2.1.6 氣壓 從圖3b看出,普定縣1971—2020年平均氣壓在871.2～876.7 hPa之間,呈顯著降低趨勢(shì),氣候傾向率為-1.0 hPa/10 a,并通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。普定縣常年逐月平均氣壓以7月份868.9 hPa為最低,以12月879.3 hPa為最高。由此可見(jiàn),普定縣近50 a平均氣壓呈降低趨勢(shì);氣壓月變化與日照月變化呈明顯相反態(tài)勢(shì),雖然兩者年際變化無(wú)明顯相似性,但氣壓在20世紀(jì)90年代末有一次明顯的降幅后年際變化趨于平緩,而日照時(shí)數(shù)間隔 30 a左右會(huì)出現(xiàn)比較明顯的波動(dòng)。

2.2 人體舒適度指數(shù)分析

利用公式(1)計(jì)算普定縣1971—2020年逐年逐月人體舒適度指數(shù)(圖4)。由圖4a看出,普定縣近50 a來(lái)的人體舒適度呈顯著上升趨勢(shì),通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn),氣候傾向率為0.24/10 a,人體舒適度指數(shù)年平均值在53～57之間,體感處于涼舒適(4級(jí))。由圖4b可以看出,普定縣常年逐月體感為清涼(3級(jí))的月份主要出現(xiàn)在1—3月、11—12月,即處于冬季、初春、晚秋季節(jié),人體舒適度指數(shù)月平均值在39.2～49.7之間;體感為涼舒適(4級(jí))的月份主要出現(xiàn)在4月和10月,處于春中、秋中,人體舒適度指數(shù)月平均值在56.4～56.5之間;體感為最舒適(5級(jí))的月份主要出現(xiàn)在5—9月,處于春末、夏季、秋初,人體舒適度指數(shù)月平均值在61.4～62.7之間,即普定縣體感舒適(含涼舒適及最舒適)月份占全年58%。

圖4 普定縣1971—2020年人體舒適度指數(shù)年際變化(a)和月變化(b)趨勢(shì)

利用公式(1)計(jì)算出普定縣1971—2020年逐日人體舒適度指數(shù),并結(jié)合人體舒適度指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),得到普定縣人體舒適度不同等級(jí)逐月日數(shù)(表2)。由表2看出,普定縣常年體感較冷(2級(jí))有15 d,人體舒適度指數(shù)在38.0～38.9之間,占全年日數(shù)4%;體感清涼(3級(jí))有117 d,人體舒適度指數(shù)在39.1～50.9之間,占全年日數(shù)32%;體感涼舒適(4級(jí))有74 d,人體舒適度指數(shù)在51.0～58.9之間,占全年日數(shù)20%;體感最舒適(5級(jí))有159 d,人體舒適度指數(shù)在59.0～68.1之間,占全年日數(shù)44%。由此可知,普定縣常年人體舒適度主要在清涼(3級(jí))—最舒適(5級(jí))之間,且體感舒適(含涼舒適及最舒適)日數(shù)占全年總?cè)諗?shù)的64%。

表2 1971—2020年普定縣人體舒適度等級(jí)逐月日數(shù)統(tǒng)計(jì)表(單位:d)

2.3 普定縣氣象條件與空氣質(zhì)量的相關(guān)性分析

2.3.1 氣溫與污染物濃度、AQI的相關(guān)性分析 利用公式(2)計(jì)算了氣溫與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖5、表3。由圖可知,氣溫與SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5的濃度呈負(fù)相關(guān)性, 并通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn),即氣溫越高,上述污染物濃度越小,表明空氣質(zhì)量越好;氣溫與SO2、NO2、CO的負(fù)相關(guān)性較強(qiáng),相關(guān)系數(shù)分別為-0.593、-0.695、-0.582(表3)。氣溫與O3濃度、AQI呈正相關(guān)性,且氣溫與O3存在較強(qiáng)的正相關(guān)性,并通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn),而與AQI僅為弱正相關(guān),未通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn),表明O3的濃度、AQI隨著氣溫升高而上升,空氣質(zhì)量降低。

圖5 普定縣平均氣溫與SO2(a)、NO2(b)、CO(c)、O3(d)、PM10(e)、PM2.5(f)濃度及AQI(g)的相關(guān)性

表3 平均氣溫與污染物濃度、AQI的相關(guān)性系數(shù)

2.3.2 濕度與污染物濃度、AQI的相關(guān)性分析 利用公式(2)計(jì)算了相對(duì)濕度與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖6、表4。由圖可知相對(duì)濕度與SO2、O3、PM10、PM2.5的濃度以及AQI存在負(fù)相關(guān)性,且除SO2之外其余5種要素均通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)(表4),表明相對(duì)濕度越大,越有利于SO2、O3、PM10、PM2.5的濃度以及AQI降低,空氣質(zhì)量越好;相對(duì)濕度與O3濃度負(fù)相關(guān)性最強(qiáng),相關(guān)系數(shù)為-0.666(表4);負(fù)相關(guān)性最弱為SO2,其相關(guān)系數(shù)為-0.091。而相對(duì)濕度與NO2、CO呈弱正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.017、0.083,未通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn),表明高濕條件下會(huì)導(dǎo)致NO2、CO的濃度升高,不利于空氣質(zhì)量的提升。

表4 平均相對(duì)濕度與污染物濃度、AQI的相關(guān)性系數(shù)

2.3.3 風(fēng)速與污染物濃度、AQI的相關(guān)性分析 由公式(2)計(jì)算了風(fēng)速與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖7、表5。由圖可知,風(fēng)速與污染物SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5的濃度及AQI存在負(fù)相關(guān)性,并通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn),表明風(fēng)速越大,越有利于以上污染物濃度的稀釋和擴(kuò)散,空氣質(zhì)量越好;負(fù)相關(guān)性較明顯的是NO2,其相關(guān)系數(shù)為-0.359;負(fù)相關(guān)性最弱的是CO,其相關(guān)系數(shù)為-0.158;而風(fēng)速與O3呈弱正相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)為0.024,未通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn),表明隨著風(fēng)速的增大,O3濃度也會(huì)相應(yīng)升高,不利于改善空氣質(zhì)量。

圖7 普定縣平均風(fēng)速與SO2(a)、NO2(b)、CO(c)、O3(d)、PM10(e)、PM2.5(f)濃度及AQI(g)的相關(guān)性

表5 平均風(fēng)速與污染物濃度、AQI的相關(guān)性系數(shù)表

2.3.4 降水與污染因子濃度、AQI的相關(guān)性分析 通過(guò)公式(2)計(jì)算了降水與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖8、表6。由圖可知,降水與SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5濃度存在負(fù)相關(guān)性,并通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn),負(fù)相關(guān)性較明顯的是PM10,其相關(guān)系數(shù)為-0.223;負(fù)相關(guān)性最弱的是AQI,其相關(guān)系數(shù)為-0.122,通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn),即降水量越大,越有利于上述5種污染物濃度及AQI降低,空氣質(zhì)量越好。而降水與O3呈弱正相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)為0.027,未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn),即降水量的增大會(huì)導(dǎo)致O3濃度升高,空氣質(zhì)量降低。

圖8 普定縣降水量與SO2(a)、NO2(b)、CO(c)、O3(d)、PM10(e)、PM2.5(f)濃度及AQI(g)的相關(guān)性

表6 降水量與污染物濃度、AQI的相關(guān)性系數(shù)表

2.3.5 氣壓與污染因子濃度、AQI的相關(guān)性分析 利用公式(2)計(jì)算了氣壓與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖9,表7。由圖可見(jiàn),氣壓與SO2、NO2、CO、PM2.5的濃度呈顯著性正相關(guān),通過(guò)α=0.01 的顯著性檢驗(yàn);氣壓與NO2正相關(guān)性較強(qiáng),其相關(guān)系數(shù)為0.437;與PM10正相關(guān)性最弱,通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn),表明隨著氣壓升高,不利于上述污染物的擴(kuò)散,空氣質(zhì)量降低。而氣壓與O3濃度、AQI則呈負(fù)相關(guān)性,氣壓與O3濃度負(fù)相關(guān)性較強(qiáng),其相關(guān)系數(shù)為-0.521,通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn);氣壓與AQI負(fù)相關(guān)性較弱,其相關(guān)系數(shù)為-0.1,通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn),即隨著氣壓升高,O3濃度降低,且AQI下降,空氣質(zhì)量得到改善。

表7 平均氣壓與污染物濃度、AQI的相關(guān)性系數(shù)表

2.4 普定縣人體舒適度指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)相關(guān)性分析

由圖10可看出,普定縣2021年人體舒適度指數(shù) BCMI與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的逐月變化、季節(jié)變化均呈負(fù)相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為-0.561、-0.211,均未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn),表明當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI越高,空氣質(zhì)量越差,人體舒適度越低;反之則空氣污染較小,AQI越小,空氣質(zhì)量越好,人體舒適度越高。且從AQI逐月變化(圖10a)來(lái)看,普定縣4—5月(AQI為41～48)、7—11月(AQI為40～47)空氣質(zhì)量?jī)?yōu),其余月份空氣質(zhì)量為良,表明普定縣空氣質(zhì)量?jī)?yōu)的月份在全年占比最多;從季節(jié)變化(圖10b)來(lái)看普定縣4個(gè)季節(jié)AQI均值在43～49之間,空氣質(zhì)量均為優(yōu)。

圖10 普定縣AQI與BCMI 月變化(a)和季節(jié)變化(b)趨勢(shì)

3 結(jié)論

(1)普定縣近50 a平均氣溫、平均風(fēng)速以及日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì),相對(duì)濕度、降水量以及氣壓呈降低趨勢(shì)。風(fēng)速年際變化與相對(duì)濕度變化趨勢(shì)基本一致,但其月變化呈反相位,且風(fēng)速在1993—2003年波動(dòng)最大,濕度在2009—2014年變化幅度最大;降水年際變化與平均氣溫變化呈反位相,但其月變化趨勢(shì)基本一致;氣壓月變化與日照變化為明顯的反位相態(tài)勢(shì),雖然兩者年際變化無(wú)明顯相似性,但可看出日照時(shí)數(shù)間隔 30 a左右會(huì)出現(xiàn)比較明顯的波動(dòng),而氣壓在20世紀(jì)90年代末有1次明顯的降幅后年際變化趨于平緩。

(2)近50 a來(lái),普定縣人體舒適度指數(shù)常年體感處于涼舒適(4級(jí));逐月體感主要為涼(3級(jí))～最舒適(5級(jí))之間,全年體感無(wú)寒冷及酷熱等級(jí);體感為最舒適(5級(jí))的月份為5—9月,體感為涼舒適(4級(jí))的月份為4月、10月,體感為清涼(3級(jí))的月份主要為1—3月、11—12月。因此,普定縣常年氣候宜人,且體感舒適(含涼舒適及最舒適)月份有7個(gè)月,占全年58%,適宜居住。

(3)近50 a來(lái),普定縣平均氣溫與大部分污染物因子濃度呈負(fù)相關(guān)性,與O3濃度以及AQI呈正相關(guān),即平均氣溫越高,污染物濃度越低,空氣質(zhì)量越好;平均相對(duì)濕度與大部分污染物因子濃度及AQI呈負(fù)相關(guān)性,與NO2、CO呈正相關(guān)性,即平均相對(duì)濕度越大,污染物因子濃度越小,空氣質(zhì)量越好;平均風(fēng)速、降水量與大部分污染物因子濃度及AQI呈負(fù)相關(guān)性,僅與O3呈正相關(guān)性,表明平均風(fēng)速越大,降水量越多,空氣中污染物濃度越小,空氣質(zhì)量越好;氣壓與大部分污染物因子濃度及AQI呈正相關(guān)性,僅與O3呈負(fù)相關(guān)性,表明氣壓越高,污染物濃度越大,空氣質(zhì)量越差。

(4)近50 a來(lái),普定縣BCMI與AQI的逐月、季節(jié)變化均呈負(fù)相關(guān)性,表明當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI越高,空氣質(zhì)量越差,人體舒適度越低,反之則空氣污染較小,空氣質(zhì)量越好,人體舒適度越高。普定縣空氣質(zhì)量以4—5月、7—11月為優(yōu),表明空氣質(zhì)量為優(yōu)的時(shí)段最多;且普定縣四季空氣質(zhì)量均為優(yōu),適宜居住。