基于K-means的廣東A級景區(qū)避暑旅游舒適度分析

嚴敏聰，翁佳烽，林汝城，潘志豪

（1.四會市氣象局，廣東四會 526200；2.肇慶市氣象局，廣東肇慶 526000）

在全球變暖的背景下，避暑已成為旅游發(fā)展新動力［1］。避暑旅游跟氣象條件息息相關(guān)，而人體對氣象條件的感知主要受到溫度、濕度、風(fēng)速、日照、降水等氣象要素的影響［2］。為了給人體對氣象條件的感受做出評價，國內(nèi)外許多學(xué)者做了人體舒適度分析，例如Terjung［3］率先提出了氣候舒適性指數(shù)；Oliver［4］建立了溫濕指數(shù)和風(fēng)寒指數(shù)。而我國學(xué)者也使用中國氣象局編制的人體舒適度等級劃分標準計算得出人體舒適度指數(shù)，如陳桂標等［5］研究分析人體舒適度的預(yù)報方法；龐綺汶等［6］對佛山地區(qū)氣候舒適度進行分析；黃觀榮等［7］分析研究韶關(guān)的生態(tài)旅游氣候舒適度。隨著人們對避暑旅游需求增大，也有學(xué)者針對省、市的氣候地形，做出了本地的避暑旅游氣候舒適度評價，如朱勇等［8］對華南典型城市旅游氣候舒適度的評價，但是針對每個景區(qū)的避暑旅游資源影響和評價研究不多。因此根據(jù)廣東的氣候特征，客觀準確地揭示景區(qū)避暑旅游舒適度特征，做出全省旅游景區(qū)避暑等級分類，為廣大群眾避暑旅游提供出行指南，為開發(fā)旅游氣候資源提供科學(xué)依據(jù)具有現(xiàn)實意義。

1 資料來源及預(yù)處理

本研究所選取的是廣東省86個國家級氣象站1991—2020年30年夏季（6—9月）［9］氣溫、相對濕度、風(fēng)速以及日照時數(shù)等氣象資料。地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺覆蓋中國區(qū)域空間分辨率為90 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并重采樣為500 m的空間分辨率的高程數(shù)據(jù)。景區(qū)資料取自廣東省文化和旅游廳官方網(wǎng)站，包括443個A級景區(qū)。

2 技術(shù)路線及方法

2.1 Anusplin插值

由于氣象要素跟地形有著很大的關(guān)系［10］，本研究使用可以引入?yún)f(xié)變量（本研究選用高程作為協(xié)變量）的Anusplin插值軟件對以上氣象要素進行插值，Anusplin插值是基于普通薄盤和局部薄盤樣條函數(shù)插值理論實現(xiàn)的（本研究樣條次數(shù)設(shè)置為3），除了樣條自變量外，還允許引入線性協(xié)變量，并且根據(jù)前人相關(guān)研究從統(tǒng)計學(xué)角度得出引入?yún)f(xié)變量的Anusplin插值總體精度水平優(yōu)于反距離加權(quán)插值法和克里格插值法［11］，具體公式見文獻［11］。

2.2 三個舒適度指數(shù)及其偏離度模型

1）3個舒適度指數(shù)。

溫濕指數(shù)（THI）通過溫度和濕度的共同作用反映出人體與環(huán)境熱交換，是人體氣候感知的首要指標。風(fēng)效指數(shù)（WEI）由風(fēng)寒指數(shù)（WCI）演變而來，反映在寒冷環(huán)境下，氣溫與風(fēng)速通過對人體散熱率的作用而影響人體舒適感；風(fēng)效指數(shù)新引入了日照因子，既考慮體表的散熱也考慮了太陽輻射后人體的增熱，因而比風(fēng)寒指數(shù)更具普適性。溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)僅考慮了對人體裸露表層皮膚的氣候舒適度，人還可以通過增減衣物來調(diào)節(jié)人體對氣候的適應(yīng)，因而引入著衣指數(shù)（ICL）。三者具體計算公式和分級標準見文獻［12-13］。

2）3個指數(shù)的偏離度模型。

由于每個指數(shù)都有其最舒適區(qū)間，3個指數(shù)的分級標準較廣，為了更精確體現(xiàn)各指數(shù)值偏離最舒適區(qū)間的程度，建立修正模型，設(shè)置最舒適區(qū)間內(nèi)的指數(shù)偏離度為0［14］。各指數(shù)的偏離度模型具體如下：

其中，THIbi、WEIbi、ICLbi分別為THI、WEI、ICL的第i月份的偏離度；THIi、WEIi、ICLi分別為THI、WEI、ICL第i月份的指數(shù)值，其中｛60，65｝、｛-600，-300｝、｛0.7，1.3｝分別為這三者的最舒適區(qū)間，對應(yīng)偏離度為0，當(dāng)偏離值為負值時體現(xiàn)的是氣候綜合作用為冷；當(dāng)偏離值為正值時體現(xiàn)的是氣候綜合作用為熱；偏離值愈大，人體感覺愈不舒適。

2.3 K均值聚類分析法

K均值聚類是一種基于距離的聚類算法，樣本數(shù)據(jù)集可以定義為S=｛S1，S2，…，Sn｝。根據(jù)樣本的某種屬性特征將樣本集劃分為K個簇，隨機初始化得到K個聚類中心，然后將樣本數(shù)據(jù)集中的每一個數(shù)據(jù)分到距離其最近的聚類中心所在的類簇中，重新劃分K個聚類中心，不斷重復(fù)迭代更新此過程，直到聚類中心不再變化［15］。K均值聚類法最大化簇間樣本距離，最小化簇內(nèi)樣本距離，聚類準則函數(shù)為簇內(nèi)方差，方差越小，則聚類效果越好［15］。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象要素以及3個舒適度指數(shù)的柵格空間分布

由圖1可以看出，廣東省各地年平均氣溫、風(fēng)速和日照時數(shù)分布規(guī)律大致相似，均是北低南高，珠三角及沿海地區(qū)均是高值區(qū)，粵北以及高海拔地區(qū)均是低值區(qū)；而相對濕度分布則是整個珠三角、粵東西北方向的大部以及粵北的大部明顯為低值區(qū)，其余地區(qū)則為高值區(qū)。

圖1 廣東1991—2020年夏季平均氣溫（a）、相對濕度（b）、風(fēng)速（c）、日照時數(shù)（d）的柵格空間分布

由圖2可以看出，THI與WEI均是南高北低，即具有高海拔數(shù)值低、低海拔數(shù)值高的分布特征；ICL數(shù)值則相反，為北高南低，即高海拔數(shù)值高低海拔數(shù)值低。3個指數(shù)的舒適區(qū)間分布具有很強的一致性，均為北高南低，全省最舒適的區(qū)間均處于高海拔地區(qū)。夏季3個指數(shù)的值均在偏熱及以上的區(qū)間，THI全省最低值為73.3，最高值為80.9，大部處于“悶熱，不舒適”區(qū)間；WEI最低值-115.8，最高值-44.2，大部處于“暖熱”區(qū)間；ICL最低值0.27，最高值0.64，大部處于“短袖開領(lǐng)衫”區(qū)間。

圖2 廣東1991—2020年夏季THI（a）、WEI（b）、ICL（c）的柵格空間分布

3.2 A級景區(qū)舒適度指數(shù)提取及偏離度

通過對夏季平均以及夏季各月平均的3個舒適度指數(shù)的偏離度模型進行數(shù)據(jù)處理，得到景區(qū)在夏季以及夏季各月的3個指數(shù)的偏離度值。

夏季及夏季各月的3個舒適度指數(shù)所有偏離度值均為正數(shù)，并且隨著海拔的降低3個指數(shù)的偏離度明顯增大，呈負相關(guān)關(guān)系，均能通過95%的顯著性檢驗，也就意味著舒適性跟海拔高度呈正相關(guān)關(guān)系。3個指數(shù)的整體偏離度7月最高，8月次之，9月偏離度為4個月份中最低。

3.3 K均值聚類結(jié)果分析

該次通過對443個景區(qū)的3個舒適度指數(shù)偏離度值進行K均值聚類（K=5），得到夏季及其各月的廣東A級景區(qū)夏季避暑旅游舒適度的分類類型，詳見表1和圖3。

表1 夏季全省景區(qū)的3個舒適度指數(shù)偏離度的分類及其平均值

圖3 夏季全省景區(qū)分布及其3個舒適度指數(shù)偏離度分類

類型Ⅰ：各指數(shù)的偏離值在5類別中排第2（即舒適度排第4），包括162個景區(qū)，占比36.6%。均勻分布在全省各市，162個景區(qū)平均海拔102.4 m，茂名市天馬山生態(tài)旅游區(qū)、梅州市瑞山生態(tài)旅游度假區(qū)以及梅州市松溪河風(fēng)景區(qū)三者THIbi、WEIbi、ICLbi值均為組內(nèi)較低值，在3個指數(shù)偏離度低值方向離其聚類中心距離最長，也就是說以上3個景區(qū)在此類別中是最舒適的3個景區(qū)。

類型Ⅱ：各指數(shù)的偏離值排第3（即舒適度排第3）處于中等水平，大部分位于韶關(guān)、河源兩市，平均海拔367.2 m，廣東天露山旅游度假區(qū)、惠州市龍門縣南昆山生態(tài)旅游區(qū)和惠州市南昆山云頂旅游度假區(qū)三者在其此類別中是最舒適的景區(qū)。

類型Ⅲ：各指數(shù)的偏離值排第4（即舒適度排第2），平均海拔759.2 m，包括廣州市石門國家森林公園景區(qū)和溪頭旅游村、韶關(guān)市廣東大峽谷景區(qū)和新豐縣云髻山景區(qū)、梅州市韓山歷史文化生態(tài)區(qū)、清遠市廣東第一峰旅游風(fēng)景區(qū)、潮州市鳳凰山天池景區(qū)、揭陽市揭西大洋國際生態(tài)旅游度假區(qū)、云浮市大云霧山旅游區(qū)，其中潮州市鳳凰山天池景區(qū)在此類別中是最舒適的景區(qū)。

類型Ⅳ：各指數(shù)的偏離值排第1（最不舒適的類別），大部分位于珠三角、粵東偏東以及粵西偏西地區(qū)，平均海拔24.5 m。梅州市金穗休閑旅游區(qū)在其此類別中是最舒適的景區(qū)。

類型Ⅴ：全省最舒適的景區(qū)，包含韶關(guān)市乳源縣天井山森林公園、茂名市高州仙人洞旅游景區(qū)和清遠市金子山原生態(tài)休閑度假旅游景區(qū)，三者海拔均超過1 km，分別是1 340、1 149和1 075m。

由表2可以看出，6月最舒適的類型Ⅰ有12個景區(qū)，7和8月的最舒適類型均只有2個景區(qū)，9月最舒適類型Ⅰ有5個景區(qū)；其次為類型Ⅱ有13個景區(qū)，9月份的次舒適類型Ⅱ的THIbi、ICLbi值均比其他月份低，WEIbi值除了比6月稍高外，均比7、8月份最舒適類型的WEIbi值低。因此9月份的舒適度最高，舒適的景區(qū)最多，6月次之，7月舒適度最低，舒適的景區(qū)最少。

表2 夏季6—9月各類景區(qū)3個指數(shù)偏離度的平均值

4 結(jié)論

1）夏季及夏季各月的3個舒適度指數(shù)所有偏離度值均為正數(shù)，并且隨著海拔的降低顯著增大。3個指數(shù)的整體偏離度7月最高，8月次之，9月偏離度為4個月份中最低，即舒適度最高。

2）聚類分析結(jié)果將全省景區(qū)分為5種類型，類型Ⅰ：舒適度排第4，比較均勻分布在全省各市較低海拔地區(qū)；類型Ⅱ：舒適度排第3，大部分位于韶關(guān)、河源兩市；類型Ⅲ：舒適度排第2，包括9個景區(qū)；類型Ⅳ：最不舒適的類別，大部分位于珠三角、粵東偏東以及粵西偏西地的低海拔區(qū)域；類型Ⅴ：全省最舒適的景區(qū)，只包含3個景區(qū)。

本研究僅用溫度、濕度、風(fēng)速及日照時數(shù)4個氣象要素考慮夏季人體舒適程度，結(jié)論存在一定不足。關(guān)于夏季避暑旅游舒適性的深入研究還需要考慮多氣象要素、空氣質(zhì)量、人體差異等方面，建立更加完善的避暑舒適度評價，從而更好地開展專業(yè)氣象服務(wù)。