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.湖北省嘉魚縣氣象局,湖北 嘉魚 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下,人居環(huán)境氣候舒適度已是大家熱議的話題。國內(nèi)許多學者已對相關氣候適宜度進行了相關研究[1-6],劉恒等[7]利用溫濕指數(shù)和風效指數(shù)以及人體舒適度指數(shù)對濟源市人居環(huán)境氣候適宜性進行了研究;尹文娟等[8]通過人居環(huán)境舒適度研究為人居環(huán)境建設提供了科學依據(jù);呂拉昌等[9]通過人居環(huán)境氣候舒適度評價對城市的創(chuàng)新影響進行深入分析。

普定縣地處長江水系和珠江水系分水嶺地帶,屬亞熱帶高原季風濕潤氣候,全年氣候溫和,但目前針對該縣人居環(huán)境氣候適宜度的分析尚不多見。本文研究基于謝亞玲等[10]引用的人體舒適度指數(shù)評價指標,同時引入氣象要素與污染物濃度的相關性以及人體舒適度指數(shù)與空氣質量指數(shù)AQI的相關性研究[11-12]概念,對普定縣的人居環(huán)境氣候條件進行了分析,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、平均相對濕度、平均風速、降水量、日照時數(shù)等氣象資料來源于普定國家氣象觀測站。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量指數(shù)(AQI)等資料來源于安順市生態(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

利用線性趨勢方程分析普定縣地面觀測氣象要素的年際、逐月變化特征,采用人體舒適度指數(shù)指標進行氣候舒適度分析,同時利用皮爾遜相關系數(shù)顯著性檢驗[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性以及人體舒適度與空氣質量的逐月、季節(jié)變化特征。

1.2.1 人體舒適度指數(shù)計算公式[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為平均相對濕度(單位:%);V為風速(單位:m·s-1)。

表1 人體舒適度指數(shù)(BCMI)的分級標準

1.2.2 皮爾遜相關系數(shù)公式[13]:

(2)

2 結果與分析

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,氣候傾向率為0.2 ℃/10 a,并通過α=0.01的顯著性檢驗。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,普定縣近50 a平均氣溫呈增暖趨勢。

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

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

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

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

2.1.4 日照 由圖2b可以看出,普定縣近50 a年日照時數(shù)在878.3～1580.7 h之間,整體呈顯著上升趨勢,氣候傾向率為32.5 h/10 a,并通過了α=0.05的顯著性檢驗。普定縣常年逐月日照時數(shù)最多達到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,普定縣近50 a日照時數(shù)呈增加趨勢。

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,但變化不明顯,未通過α=0.05的顯著性檢驗,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;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(a)、平均氣壓年際變化趨勢(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,氣候傾向率為-1.0 hPa/10 a,并通過α=0.01的顯著性檢驗。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,普定縣近50 a平均氣壓呈降低趨勢;氣壓月變化與日照月變化呈明顯相反態(tài)勢,雖然兩者年際變化無明顯相似性,但氣壓在20世紀90年代末有一次明顯的降幅后年際變化趨于平緩,而日照時數(shù)間隔 30 a左右會出現(xiàn)比較明顯的波動。

2.2 人體舒適度指數(shù)分析

利用公式(1)計算普定縣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來的人體舒適度呈顯著上升趨勢,通過α=0.01的顯著性檢驗,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)。由圖4b可以看出,普定縣常年逐月體感為清涼(3級)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)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)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

利用公式(1)計算出普定縣1971—2020年逐日人體舒適度指數(shù),并結合人體舒適度指數(shù)的分級標準,得到普定縣人體舒適度不同等級逐月日數(shù)(表2)。由表2看出,普定縣常年體感較冷(2級)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)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)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)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)—最舒適(5級)之間,且體感舒適(含涼舒適及最舒適)日數(shù)占全年總日數(shù)的64%。

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

2.3 普定縣氣象條件與空氣質量的相關性分析

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

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)的相關性

表3 平均氣溫與污染物濃度、AQI的相關性系數(shù)

2.3.2 濕度與污染物濃度、AQI的相關性分析 利用公式(2)計算了相對濕度與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相關關系,結果見圖6、表4。由圖可知相對濕度與SO2、O3、PM10、PM2.5的濃度以及AQI存在負相關性,且除SO2之外其余5種要素均通過α=0.01的顯著性檢驗(表4),表明相對濕度越大,越有利于SO2、O3、PM10、PM2.5的濃度以及AQI降低,空氣質量越好;相對濕度與O3濃度負相關性最強,相關系數(shù)為-0.666(表4);負相關性最弱為SO2,其相關系數(shù)為-0.091。而相對濕度與NO2、CO呈弱正相關性,相關系數(shù)分別為0.017、0.083,未通過α=0.01的顯著性檢驗,表明高濕條件下會導致NO2、CO的濃度升高,不利于空氣質量的提升。

表4 平均相對濕度與污染物濃度、AQI的相關性系數(shù)

2.3.3 風速與污染物濃度、AQI的相關性分析 由公式(2)計算了風速與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相關關系,結果見圖7、表5。由圖可知,風速與污染物SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5的濃度及AQI存在負相關性,并通過α=0.01的顯著性檢驗,表明風速越大,越有利于以上污染物濃度的稀釋和擴散,空氣質量越好;負相關性較明顯的是NO2,其相關系數(shù)為-0.359;負相關性最弱的是CO,其相關系數(shù)為-0.158;而風速與O3呈弱正相關性,其相關系數(shù)為0.024,未通過α=0.01的顯著性檢驗,表明隨著風速的增大,O3濃度也會相應升高,不利于改善空氣質量。

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

表5 平均風速與污染物濃度、AQI的相關性系數(shù)表

2.3.4 降水與污染因子濃度、AQI的相關性分析 通過公式(2)計算了降水與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相關關系,結果見圖8、表6。由圖可知,降水與SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5濃度存在負相關性,并通過α=0.01的顯著性檢驗,負相關性較明顯的是PM10,其相關系數(shù)為-0.223;負相關性最弱的是AQI,其相關系數(shù)為-0.122,通過α=0.05的顯著性檢驗,即降水量越大,越有利于上述5種污染物濃度及AQI降低,空氣質量越好。而降水與O3呈弱正相關性,其相關系數(shù)為0.027,未通過α=0.05的顯著性檢驗,即降水量的增大會導致O3濃度升高,空氣質量降低。

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)的相關性

表6 降水量與污染物濃度、AQI的相關性系數(shù)表

2.3.5 氣壓與污染因子濃度、AQI的相關性分析 利用公式(2)計算了氣壓與SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相關關系,結果見圖9,表7。由圖可見,氣壓與SO2、NO2、CO、PM2.5的濃度呈顯著性正相關,通過α=0.01 的顯著性檢驗;氣壓與NO2正相關性較強,其相關系數(shù)為0.437;與PM10正相關性最弱,通過α=0.05的顯著性檢驗,表明隨著氣壓升高,不利于上述污染物的擴散,空氣質量降低。而氣壓與O3濃度、AQI則呈負相關性,氣壓與O3濃度負相關性較強,其相關系數(shù)為-0.521,通過α=0.01的顯著性檢驗;氣壓與AQI負相關性較弱,其相關系數(shù)為-0.1,通過α=0.05的顯著性檢驗,即隨著氣壓升高,O3濃度降低,且AQI下降,空氣質量得到改善。

表7 平均氣壓與污染物濃度、AQI的相關性系數(shù)表

2.4 普定縣人體舒適度指數(shù)與空氣質量指數(shù)相關性分析

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

圖10 普定縣AQI與BCMI 月變化(a)和季節(jié)變化(b)趨勢

3 結論

(1)普定縣近50 a平均氣溫、平均風速以及日照時數(shù)呈增加趨勢,相對濕度、降水量以及氣壓呈降低趨勢。風速年際變化與相對濕度變化趨勢基本一致,但其月變化呈反相位,且風速在1993—2003年波動最大,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,但其月變化趨勢基本一致;氣壓月變化與日照變化為明顯的反位相態(tài)勢,雖然兩者年際變化無明顯相似性,但可看出日照時數(shù)間隔 30 a左右會出現(xiàn)比較明顯的波動,而氣壓在20世紀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,普定縣人體舒適度指數(shù)常年體感處于涼舒適(4級);逐月體感主要為涼(3級)～最舒適(5級)之間,全年體感無寒冷及酷熱等級;體感為最舒適(5級)的月份為5—9月,體感為涼舒適(4級)的月份為4月、10月,體感為清涼(3級)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個月,占全年58%,適宜居住。

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

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