普宗朝，馮志敏，張山清，王命全，張祖蓮，宋雪菲

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，新疆 烏魯木齊 830011；3.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心/新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；4.新疆教育管理信息中心，新疆 烏魯木齊 830049）

氣候舒適度是評價人類在不同氣候條件下舒適感的一項生物氣象指標(biāo)[1]，其變化對公眾健康[2]、能源消耗[3]、城市規(guī)劃[4]、旅游休閑[5-6]等社會經(jīng)濟諸多領(lǐng)域有重要影響。因此，近年來有關(guān)我國氣候舒適度時空變化的研究引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注。李山等[7]和曹云等[8]對我國內(nèi)陸部分地區(qū)年氣候舒適期變化的研究表明，其空間分布總體呈現(xiàn)“東南長、西北短”的格局，過去幾十年氣候舒適期呈明顯的增長趨勢，但變化幅度存在區(qū)域性差異。許善洋等[9]和于昕冉等[10]研究指出，甘肅省氣候舒適度的空間分布既有由東南向西北遞減的緯度地帶性，也存在隨海拔高度的升高而降低的垂直地帶性特點，1955—2015 年甘肅省氣候舒適度總體趨于改善，其中，春、秋季氣候舒適度指數(shù)顯著增大，冬季變化不明顯，而夏季則呈減小趨勢。馬麗君等[11]使用綜合氣候舒適度指數(shù)模型對1958—2007 年中國東部城市氣候舒適度時空變化研究發(fā)現(xiàn)，高緯度城市氣候舒適度指數(shù)總體呈增大趨勢，而低緯度城市則呈減小趨勢，并且隨著氣候的變暖，氣候舒適度減小的城市趨于增多。從上述的研究可以看出，因地理環(huán)境和氣候背景不同，各地氣候舒適度及其變化具有明顯的區(qū)域和季節(jié)性差異。

烏魯木齊市是新疆維吾爾自治區(qū)的首府，全疆政治、經(jīng)濟、文化、科技和交通中心，也是“一帶一路”絲綢之路經(jīng)濟帶的核心區(qū)，氣候舒適度對當(dāng)?shù)厣鐣⒔?jīng)濟的發(fā)展有重要影響[12-13]。由于地域廣闊，地形地貌復(fù)雜，氣候類型多樣，烏魯木齊市氣候舒適度具有明顯的區(qū)域性差異[12-13]。另外，在全球變暖背景下，近50 多年烏魯木齊市氣候呈明顯的“暖濕化”趨勢[14-17]，這也必將對氣候舒適度產(chǎn)生影響。馬麗君等[12]、李東等[13]使用烏魯木齊國家基本氣象站單站歷史氣候資料就1962—2011 年氣候舒適度的變化研究表明，受氣溫升高、降水增多、風(fēng)速減小的影響，氣候舒適度總體趨于改善。但由于選用的站點單一、資料序列較短，因此，其研究結(jié)果難以體現(xiàn)全市不同區(qū)域氣候舒適度的變化[12-13]。因此，本文擬使用烏魯木齊市及其周邊9 個國家氣象觀測站1961—2020年歷史氣候數(shù)據(jù)，對烏魯木齊市近60 年氣候舒適度時空變化特點及其成因進行研究分析，以期為適應(yīng)氣候變化，科學(xué)制定烏魯木齊市城市發(fā)展規(guī)劃，客觀評價城市人居環(huán)境提供氣候?qū)W依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市地處中國西北內(nèi)陸，亞歐大陸腹地，位于新疆中天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理坐標(biāo)86°48′～88°58′E，42°45'～45°00′N，總面積為1.421 6×104km2，地勢總體呈南高北低、東高西低的特點（圖1）。以海拔高度1 500 m 為界，烏魯木齊市大致可分為平原和山區(qū)兩大地貌單元，北部平原屬暖溫帶半干旱區(qū)，中部山前傾斜平原和烏拉泊至達坂城山間峽谷地帶屬中溫帶半干旱、干旱區(qū)，海拔1 500～1 800 m 的低山帶為中溫帶半干旱、半濕潤區(qū)，1 800～2 500 m 的中山帶為寒溫帶半濕潤區(qū)，2 500～3 200 m 的亞高山帶為亞寒帶半濕潤區(qū)，海拔3 200 m 以上高山帶為寒帶半濕潤區(qū)[17-19]。

圖1 烏魯木齊市及其周邊氣象站點分布

2 資料與方法

2.1 資料來源

烏魯木齊市氣象站點稀疏且分布不均，資料序列較長的只有米東、烏魯木齊、達坂城、小渠子和大西溝5 站。為提高氣候舒適度指數(shù)空間插值模擬的精度，本研究將隸屬于昌吉回族自治州但緊鄰烏魯木齊市的蔡家湖、昌吉、阜康和天池4 個氣象站也列入舒適度指數(shù)空間插值模擬的建模站點序列[14-17]。研究區(qū)域和氣象站點分布見圖1，各站氣候資料以及烏魯木齊市1∶50 000 地理信息數(shù)據(jù)由新疆氣象信息中心提供。

2.2 方法

2.2.1 氣候舒適度指數(shù)的計算

采用綜合氣候舒適度指數(shù)模型計算各站1961—2020 年逐月氣候舒適度指數(shù)[11-13]：

式中：C 為氣候舒適度指數(shù)，XTHI、XWEI和XICL分別為溫濕指數(shù)（THI）、風(fēng)效指數(shù)（WEI）和著衣指數(shù)（ICL）的賦值，0.6、0.3、0.1 為各分指數(shù)值的權(quán)重系數(shù)。

溫濕指數(shù)計算式為：

風(fēng)效指數(shù)計算式為：

著衣指數(shù)計算式為：

式（2）～（4）中：THI、WEI和ICL分別為溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)和著衣指數(shù)；t 為平均氣溫（℃）；f 為平均相對濕度（%）；v 為平均風(fēng)速（m·s-1）；s 為日照時數(shù)（h）；α為太陽高度角（°），α=90-φ+δ，φ 為地理緯度（°），δ 為太陽赤緯（°）；R 為太陽常數(shù)，R=1 385 W·m-2；H 代表人體代謝率的75%，取輕微活動量下的代謝率（116 W·m-2），這時H=87 W·m-2。

春（3—5 月）、夏（6—8 月）、秋（9—11 月）、冬（12 月—次年2 月）季氣候舒適度指數(shù)取季內(nèi)各月氣候舒適度指數(shù)的算術(shù)平均值。

舒適度指數(shù)C 的取值與氣候舒適度的對應(yīng)關(guān)系為：7≤C≤9 為舒適，5≤C＜7 為較舒適，3≤C＜5為較不舒適，1≤C＜3 為不舒適。

2.2.2 氣候舒適度指數(shù)變化分析

使用線性傾向率[20]研究1961—2020 年氣候舒適度指數(shù)的變化趨勢。另外，將1961—2020 年劃分為1961—1990 年（簡稱前30 a）以及1991—2020年（簡稱“近30 a”）兩個標(biāo)準(zhǔn)期[21]，對比分析2 個時期氣候舒適度指數(shù)的變化。

2.2.3 氣候舒適度指數(shù)與氣候要素的相關(guān)性分析

使用相關(guān)系數(shù)法[20]分析1961—2020 年春、夏、秋、冬季氣候舒適度指數(shù)與同期平均氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)的相關(guān)關(guān)系，以信度P=0.05作為相關(guān)顯著性判別標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.4 氣候舒適度指數(shù)空間插值模擬

采用宏觀地理因子的三維二次趨勢面與反距離加權(quán)殘差訂正相結(jié)合的混合插值法，對氣候舒適度指數(shù)進行100 m×100 m 柵格點的空間插值模擬[14-17]。

3 結(jié)果分析

3.1 氣候舒適度指數(shù)的年內(nèi)變化

就不同區(qū)域氣候舒適度指數(shù)的年內(nèi)變化來看（圖2），平原地帶（米東、烏魯木齊、達坂城站，下同）呈雙峰雙谷的“M”型，即1—5 月指數(shù)值持續(xù)上升，5—7 月轉(zhuǎn)為下降，7—9 月再次回升，9—12 月又快速下降；山區(qū)（小渠子、大西溝站，下同）則表現(xiàn)為單峰單谷的“∩”型，即1—7 月舒適度指數(shù)持續(xù)上升，7月達到峰值后至12 月又持續(xù)下降。平原地帶春、秋、冬季各站氣候舒適度指數(shù)相差不大，但夏季指數(shù)值隨海拔高度的升高而增大；山區(qū)中山帶（小渠子）全年氣候舒適度指數(shù)均大于高山帶（大西溝），其中，夏半年（4—9 月）偏高尤為明顯。

圖2 烏魯木齊市不同區(qū)域氣候舒適度指數(shù)年內(nèi)變化

3.2 近60 年氣候舒適度指數(shù)變化

1961—2020 年烏魯木齊市氣候舒適度指數(shù)的變化具有明顯的區(qū)域性和季節(jié)性差異。春季平原地帶以0.07/10 a 的傾向率顯著（P=0.05，下同）增大，山區(qū)以0.01/10 a 的傾向率不顯著的略增；夏季平原地帶以-0.16/10 a 的傾向率顯著減小，山區(qū)則以0.10/10 a 的傾向率顯著增大；秋季平原和山區(qū)分別以0.05/10 a、0.06/10 a 的傾向率顯著增大；冬季平原地帶以0.04/10 a 的傾向率顯著增大，但山區(qū)無明顯變化趨勢（圖3）。1991—2020 年較1961—1990 年平原地帶春、秋、冬季氣候舒適度指數(shù)分別增大了0.24、0.18 和0.13，夏季減小了0.50；山區(qū)春、夏、秋季分別增大了0.08、0.33 和0.19，冬季基本無變化。

圖3 1961—2020 年烏魯木齊市不同區(qū)域春（a）、夏（b）、秋（e）、冬（d）季氣候舒適度指數(shù)變化

3.3 氣候舒適度指數(shù)變化成因

3.3.1 春季

1961—2020 年春季烏魯木齊市平原和山區(qū)氣候舒適度指數(shù)與同期平均氣溫、日照時數(shù)均呈正相關(guān)（表1）。近60 年平原和山區(qū)春季平均氣溫分別以0.44 和0.28 ℃/10 a 的傾向率顯著升高（表2），這對氣候舒適度的改善具有重要意義；平原地帶春季日照時數(shù)以0.04 h/10 a 的傾向率增多，對氣候舒適度的改善也有積極作用，但山區(qū)日照時數(shù)以-0.04 h/10 a的傾向率減少，對氣候舒適度有一定負面影響。春季平原和山區(qū)氣候舒適度指數(shù)與同期相對濕度和平均風(fēng)速均呈負相關(guān)，這表明空氣濕度增大或多風(fēng)將使人體的“冷”不舒適感增強[2-4]，近60 年平原地帶春季相對濕度和平均風(fēng)速分別以-0.80%/10 a和-0.28 m·s-1/10 a 的傾向率顯著減小，對氣候舒適度的改善有利；但山區(qū)相對濕度以0.69%/10 a 的傾向率顯著增大，對氣候舒適度有一定負面影響。近60 年烏魯木齊市春季氣候變化對舒適度的影響總體利大于弊，其中平原地帶的利好作用更為明顯（圖3a）。

表1 不同區(qū)域四季氣候舒適度指數(shù)與氣候要素的相關(guān)關(guān)系

表2 1961—2020 年烏魯木齊市不同區(qū)域四季氣候要素變化傾向率

3.3.2 夏季

1961—2020 年夏季平原地帶氣候舒適度指數(shù)與平均氣溫呈顯著負相關(guān)，山區(qū)則呈顯著正相關(guān)（表1）。近60 年來平原和山區(qū)夏季平均氣溫分別以0.28 和0.26 ℃/10 a 的傾向率顯著升高（表2），這對夏季炎熱的平原地帶氣候舒適度將產(chǎn)生較明顯的負面影響，而對氣候冷涼的山區(qū)則具有積極作用。平原和山區(qū)夏季氣候舒適度指數(shù)與平均相對濕度的相關(guān)性均不顯著，因此，盡管近60 年兩區(qū)域平均相對濕度均不同程度地增大，但對氣候舒適度的影響不大。平原地帶夏季氣候舒適度指數(shù)與平均風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，而山區(qū)呈顯著負相關(guān)，近60 年兩區(qū)域夏季平均風(fēng)速分別以-0.31 和-0.06 m·s-1/10 a 的傾向率顯著減小，這對平原地帶的氣候舒適度將產(chǎn)生負面影響，而對山區(qū)則具有積極作用。平原和山區(qū)夏季氣候舒適度指數(shù)與日照時數(shù)的相關(guān)關(guān)系均不顯著，因此，盡管近60 年兩區(qū)域夏季日照時數(shù)呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢，但對氣候舒適度的影響不大。近60 年烏魯木齊市夏季氣候變化對平原地帶氣候舒適度總體弊大于利，而山區(qū)則利大于弊（圖3b）。

3.3.3 秋季

1961—2020 年秋季烏魯木齊市平原和山區(qū)氣候舒適度指數(shù)與同期平均氣溫及日照時數(shù)均呈正相關(guān)（表1）。近60 年來兩區(qū)域秋季平均氣溫分別以0.40 和0.29 ℃/10 a 的傾向率顯著升高（表2），這對氣候舒適度的改善具有積極作用，但日照時數(shù)分別以-0.08 和-0.04 h/10 a 的傾向率顯著減少對氣候舒適度有一定負面影響。平原和山區(qū)秋季氣候舒適度指數(shù)與同期相對濕度和平均風(fēng)速均呈負相關(guān)，平原地帶秋季相對濕度和平均風(fēng)速分別以-0.22%/10 a和-0.23 m·s-1/10 a 的傾向率減小，對氣候舒適度有積極影響，但山區(qū)相對濕度以0.88%/10 a 的傾向率顯著增大，對氣候舒適度有一定不利影響。近60 年烏魯木齊市秋季氣候變化對氣候舒適度總體利大于弊（圖3c）。

3.3.4 冬季

1961—2020 年冬季烏魯木齊市平原和山區(qū)氣候舒適度指數(shù)與同期平均氣溫均呈顯著正相關(guān)（表1）。兩區(qū)域冬季平均氣溫分別以0.43 和0.18 ℃/10 a 傾向率升高，對氣候舒適度的改善具有積極意義。平原地帶冬季氣候舒適度指數(shù)與相對濕度相關(guān)不顯著，而山區(qū)則呈顯著負相關(guān)，因此，近60 年平原相對濕度不顯著的略增對氣候舒適度的影響不大，而山區(qū)相對濕度以1.2%/10 a 的傾向率顯著增大對氣候舒適度有不利影響（表2）。平原和山區(qū)冬季氣候舒適度指數(shù)與同期平均風(fēng)速均呈顯著負相關(guān)，近60 年平原地帶冬季平均風(fēng)速以-0.16 m·s-1/10 a 的傾向率顯著減小，對氣候舒適度較有利，山區(qū)平均風(fēng)速變化不顯著，對氣候舒適度的影響不大。山區(qū)冬季氣候舒適度指數(shù)與日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)，而平原地帶相關(guān)不顯著，因此近60 年兩區(qū)域冬季日照時數(shù)分別以-0.04 和-0.23 h/10 a 的傾向率顯著減少，對山區(qū)氣候舒適度將產(chǎn)生較明顯的負面影響，而對平原地帶的影響較小。近60 年烏魯木齊市平原地帶冬季氣候變化對氣候舒適度總體利大于弊，而山區(qū)則利弊相當(dāng)（圖3d）。

3.4 氣候舒適度指數(shù)空間分布及其變化

3.4.1 春季

烏魯木齊市春季氣候舒適度指數(shù)的空間分布總體呈現(xiàn)隨海拔高度的升高而降低的特點（圖4）。1961—1990 年海拔1 300 m 以下的中北部平原的舒適度指數(shù)為5.0～5.8，屬于氣候較舒適區(qū)，面積為7 528.4 km2，占全市總面積的53.0%；海拔1 300～3 000 m的山前丘陵至亞高山帶舒適度指數(shù)為3.0～5.0，屬于較不舒適區(qū)，面積為4 847.1 km2，占比34.1%；海拔3 000 m 以上的高山帶舒適度指數(shù)在3.0 以下，屬于氣候不舒適區(qū)，面積為1 840.8 km2，占比12.9%；全市春季無舒適度指數(shù)7.0 以上的氣候舒適區(qū)[11-13]。1991—2020年與前30 a 相比，舒適度指數(shù)為5.0～6.0 的區(qū)域海拔上限升高了約100 m，面積擴大958.9 km2，占比增大6.7%；舒適度指數(shù)3.0～5.0 以及3.0 以下的區(qū)域整體向高海拔抬升了50～100 m，面積分別縮小了828.0 和130.8 km2，縮小5.8%和0.9%（表3）。

表3 1961—1990 年和1991—2020 年春、夏、秋季各氣候舒適度分區(qū)面積及其變化

圖4 1961—1990 年（a）和1991—2020 年（b）烏魯木齊市春季氣候舒適度指數(shù)空間分布

3.4.2 夏季

烏魯木齊市夏季氣候舒適度指數(shù)空間分布呈現(xiàn)隨海拔高度的升高先增后減的特點（圖5）。1961—1990 年舒適度指數(shù)7.0 以上的舒適區(qū)位于海拔1 100～2 500 m 的山前傾斜平原至中山帶，其面積為7 391.8 km2，占全市總面積的52.0%；海拔1 100 m 以下的中北部平原以及海拔2 500～3 300 m的亞高山帶舒適度指數(shù)為5.0～7.0，屬氣候較舒適區(qū)，面積為5 528.3 km2，占比38.9%；海拔3 300～3 800 m 的高山帶舒適度指數(shù)為3.0～5.0，屬于氣候較不舒適區(qū)，面積為815.7 km2，占比5.7%；海拔3 800 m 以上的高寒地帶舒適度指數(shù)小于3.0，為不舒適區(qū)，面積為480.5 km2，占比3.4%。1991—2020年與前30 a 相比，舒適度指數(shù)＞7.0 的區(qū)域向高海拔抬升了100～150 m，面積減小了514.2 km2，減小3.6%；中北部平原舒適度指數(shù)5.0～7.0 區(qū)域的海拔上限抬升了100～150 m，面積明顯增大，而亞高山帶舒適度指數(shù)5.0～7.0 的區(qū)域則略有減小，受其共同影響，全市舒適度指數(shù)5.0～7.0 的面積擴大了717.6 km2，占比增大5.0%；舒適度指數(shù)3.0～5.0 以及＜3.0 的區(qū)域整體向高海拔抬升了50～100 m，面積略有減小（表3）。

圖5 1961—1990 年（a）和1991—2020 年（b）烏魯木齊市夏季氣候舒適指數(shù)空間分布

3.4.3 秋季

烏魯木齊市秋季氣候舒適度指數(shù)的空間分布呈現(xiàn)隨海拔高度的升高而減小的特點（圖6）。1961—1990 年海拔1 300 m 以下的中北部平原舒適度指數(shù)為5.0～5.8，屬氣候較舒適區(qū)，面積為6 571.2 km2，占全市總面積的46.2%；海拔1 300～3 000 m 的山前丘陵至亞高山帶舒適度指數(shù)為3.0～5.0，屬于氣候較不舒適區(qū)，面積為5 744.1 km2，占比40.4%；海拔3 000 m 以上的高山帶舒適指數(shù)在3.0 以下，屬于氣候不舒適區(qū)，面積為1 901.1 km2，占比13.4%；全市秋季無舒適度指數(shù)7.0 以上的氣候舒適區(qū)。1991—2020 年較前30 a，中北部平原舒適度指數(shù)5.0～5.9區(qū)域的海拔上限升高了100～150 m，面積增大929.6 km2，增大6.5%；指數(shù)3.0～5.0 以及3.0 以下的區(qū)域整體向高海拔抬升了50～100 m，面積分別減小了694.1 和235.5 km2，減小4.9%和1.7%（表3）。

圖6 1961—1990 年（a）和1991—2020 年（b）烏魯木齊市秋季氣候舒適指數(shù)空間分布

3.4.4 冬季

1961—1990 年冬季烏魯木齊市各地氣候舒適度指數(shù)均在2.3 以下（圖7），屬于氣候不舒適區(qū)[11-13]，但舒適度指數(shù)仍存在區(qū)域性差異，南部和東部高山帶以及柴窩堡至達坂城山間谷地舒適度指數(shù)＜1.8，山前傾斜平原至中山帶為1.8～2.1，中西部平原及低山帶為2.1～2.3。1991—2020 年較前30 a，舒適度指數(shù)為2.1～2.5 的區(qū)域明顯向東和南部擴張；指數(shù)1.8～2.1 的區(qū)域向高海拔抬升并壓縮了100～150 m；指數(shù)＜1.8 的區(qū)域在山區(qū)變化不大，而在達坂城峽谷地帶則明顯減小。雖如此，全市冬季氣候舒適度指數(shù)仍在2.5 以下，屬于氣候不舒適區(qū)的狀況未發(fā)生改變。

圖7 1961—1990 年（a）和1991—2020 年（b）烏魯木齊市冬季氣候舒適度指數(shù)空間分布

4 討論

本文對1961—2020 年烏魯木齊市氣候舒適度的變化研究顯示，其變化趨勢與我國北方多數(shù)地區(qū)過去幾十年“冷不舒適”頻次趨于減少、“熱不舒適”頻次趨于增多的變化大體一致，這表明，以氣候變暖為主要特征的全球變化對我國北方地區(qū)氣候舒適度的影響具有一定的共性[11-13，22]。此外，本研究還定量化分析了氣候變化背景下烏魯木齊市各級氣候舒適度分區(qū)隨季節(jié)、地理環(huán)境的動態(tài)變化規(guī)律，可為開展相關(guān)氣象服務(wù)提供理論依據(jù)。值得說明的是，影響人體氣候舒適度的要素很多，除氣溫、風(fēng)速、相對濕度和日照時數(shù)[11-13]外，氣壓以及各類氣象災(zāi)害也有一定影響[23]。另外，研究區(qū)氣象站點稀疏，對研究結(jié)果的精細化程度也有影響。因此，今后隨著氣候舒適度指數(shù)模型的改進以及各類多源氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用，有關(guān)烏魯木齊市氣候舒適度的研究仍需進一步深入。

5 結(jié)論

（1）烏魯木齊市氣候舒適度指數(shù)的年內(nèi)變化，平原地帶呈雙峰雙谷的“M”型，山區(qū)則為單峰單谷的“∩”型。

（2）受氣溫升高、相對濕度增大、風(fēng)速減小、日照時數(shù)減少的綜合影響，1961—2020 年烏魯木齊市平原地帶春、秋、冬季氣候舒適度指數(shù)顯著增大，夏季顯著減??；山區(qū)夏、秋季氣候舒適度指數(shù)顯著增大，冬、春季變化不明顯。

（3）1991—2020 年與1961—1990 年相比，春季和秋季平原地帶氣候較舒適區(qū)向高海拔擴大了約950 km2，山區(qū)較不舒適區(qū)和不舒適區(qū)分別減小了694～828 和131～236 km2；夏季平原地帶氣候較舒適區(qū)向高海拔擴大了718 km2，山前傾斜平原至中山帶的舒適區(qū)減小514.2 km2，高山帶較不舒適區(qū)和不舒適區(qū)略有減?。欢救袑儆跉夂虿皇孢m區(qū)的狀況未發(fā)生改變。