刘子豪， 黄建武， 孔德亚， 王无为， 王维高， 揭 毅

(1.华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室,湖北 武汉 430079；2.华中师范大学 可持续发展研究中心,湖北 武汉 430079)

关键字：武汉市；人体舒适度指数；通径分析；暑热天数

武汉市地处长江中下游平原，境内地形复杂多样，湖泊星罗棋布，地势东南部高，西北部低，被长江和汉江两大水系分割成三大块。位于季风性湿润气候区、光热条件好、雨水丰富且主要集中于6、7月份，冬季稍凉偏干[1]。人体舒适度指数(Comfort Index of Human Body，简称CIHB)作为一种生物气象指标是从气候的角度来评价不同条件下人体对自然环境的感觉程度，它不仅直接影响人们的日常生活，也在生产销售、医疗卫生、交通运输等领域发挥着重要的作用，在城市气象环境应用于服务中占有重要地位，其制定依据是大气环境与人类机体之间热量的交换[2]。人体舒适度指数受到多种要素例如降水量、温度、大气压、太阳辐射、风速、性别、体质、年龄、着衣等综合影响[3]，气温、风速和湿度这三项指标为主导要素，其中气温是决定人体舒适度的主要指标，湿度和风速为辅助指标[4]。1945年美国地理学家Brunt[5]在Nature杂志上首次提出人体舒适度与大气环境之间的关系使得人体舒适度的评价开始受到广泛关注。国内从1980年开始，在早前学者研究的基础上构建一系列评价模型对某一地区人体舒适度进行分析判断[6]，使得地域人体舒适度研究取得一定进展。如:于庚康等[7]以逐日气象资料为基础深入研究了江苏省不同时空尺度条件下的人体舒适度差异状况；马丽君等[8]以着衣指数、风寒指数和温湿指数为依据研究气候舒适度的变化特征；张立杰[9]等分析了海陆分布、地貌形态、市政建设等因素对深圳市人体舒适度的影响。尽管学者们对人体舒适度的研究较多，但大都针对我国东部、东南部沿海城市[10-12]，对我国中部一些重要城市例如武汉的人体舒适度的研究却不多见。

各项数据表明，在全球变暖的大环境之下[13]，武汉市多年均温也表现出一定的上升趋势，在近一二十年表现的尤为显著[14]，而温度是计算人体舒适度指数的关键因子。本文以武汉市台站近50年的逐日气候数据为基础，利用前人研究得出的较为成熟的人体舒适度指数评价模型，从不同角度分析武汉市人体舒适度指数的年际变化趋势、季节变化以及各影响因子之间的权重关系,从而为武汉市的基础设施建设、旅游资源的合理开发与利用等提供重要的理论依据。

1 数据来源和计算方法

1.1 数据来源

使用资料为1967—2016年武汉市观测站台50年的逐日气象资料，包括日平均气温(简称气温)、日平均风速(简称风速)和日平均相对湿度(简称湿度)三个要素。四季的划分标准为，春季为每年的3、4、5月，夏季为6、7、8月，秋季为9、10、11月，当年12月以及次年的1、2月为冬季。

1.2 人体舒适度指数计算方法

本文选择目前国内比较流行的KSSD经验计算公式[15]，并就当地实际情况划分为九个等级见表(1)，具体的计算公式如下:

其中：T为温度(℃);H为湿度(%)；V为风速(m/s-1)。

表1 武汉市人体舒适度指数的等级划分标准

1.3 通径分析法

通径分析法(path analysis)是一种多元统计技术，最早是在1921年由美国著名生物学家Sewall Wright[16]提出，是简单相关分析方法的延续和发展，通径分析法内涵是通过直接分解某种或多种自变量与因变量之间的表面相关性，来分析多种自变量对一种因变量所产生的直接重要性与间接重要性[17]。具体而言，任意一自变量xi对因变量y的间接通径系数等于通径系数(Pjy)与相关系数(rij)的乘积，任意一个自变量xi与因变量y之间的简单相关系数(riy)等于xi与y的间接通径系数与所有的xi与y的直接通径系数(Piy)的和[18]。通径分析法可利用SAS、DPS、SPSS、Excel等软件进行处理分析，为了获得必要的正态性检验结果，本文决定采取SPSS进行通径分析的计算。因为人体舒适度主要受温度、湿度、风速的影响，而这三个指标之间又存在着一定的相互作用，有必要进一步分析确定各指标对人体舒适度影响的权重关系。

2 结果与分析

2.1 武汉市人体舒适度指数的总体变化特征

图1 1967—2016年武汉市人体舒适度指数年际变化趋势特征Fig.1 Inter-annual variation of CIHB from 1967 to 2016 in Wuhan City

由图1可以看出，武汉市在近50年里，年均CIHB存在较明显的上升趋势，尤其从20世纪80年代中期到2007年上升趋势表现得十分显著，其中，存在两个最高点，分别是1998和2004年，1969年为最低值。CIHB平均值为57.69,属较舒适型，舒适度等级为-1。总变化率为0.079/年，通过了0.05的显著性水平检验，R2值也达到了0.511，但是在2004—2012年，CIHB表现出显著下降的态势。全市CIHB年际震荡幅度较大，振荡周期大约在3～4年。参考近年关于武汉市气候变化研究结果，武汉市年均温变化与全球/北半球和中国相比，主要表现为变化趋势上基本一致但变化幅度稍大，且全球变暖停滞现象在武汉地区也有相应的表现。在50年尺度上，武汉市年均气温变化趋势在2009年发生转折，呈现出一定的下降态势。因为气温是CIHB主要影响因子，近50年来武汉市人体舒适度指数的年际变化与气候的变化趋势表现出基本一致的特征。

2.2 武汉人体舒适度指数的季节变化特征

比较近50年武汉市四季CIHB的变化特征(图2)，其变化范围依次是：53.6～61.1，72.1～76.7，54.7～63.5，33～45.2。就历年均值而言，最高为夏季，春秋两季次之，冬季最低。春季57.08属于较舒适类，舒适度等级为-1；夏季74.58属于暑热类，舒适度等级为1；秋季59.24偏高于春季，属于较舒适类，舒适度等级为-1；冬季最低39.58，舒适度等级为-2，属于偏冷类。可以看出，武汉市春秋两季相对更为舒适。四季CIHB的时间序列年际变化差异十分显著，变化幅度最小的季节是夏季，仅为4.6，变化幅度最大的季节是冬季，为12.2。1995年以后，冬季变化幅度要明显大于其他三个季节，在1995到2009这个时间段内，振荡幅度最为明显，振荡周期大约为2年，并且在2008—2011年存在较为明显的“跳水”现象，这与该年份冬季气温显著下降有直接关系。通过比较不同季节CIHB的变化趋势，可以看出，除夏季外，其余三个季节均表现出较为显著的上升趋势。其中又以春季表现的最为突出，线性趋势指数达到了0.1/年，远远高于显著性检验0.05这个水平，在1980年至2008年这个区间内上升趋势表现的尤为明显，但在2010年出现了明显的低谷。秋冬两季的上升趋势则相对次之，线性趋势分别为0.084/年和0.09/年，均达到显著水平。

图2 1967—2016年武汉市四季人体舒适度历年变化

图3 武汉市人体舒适度指数多年平均逐月分布特征Fig.3 Multi-year average monthly distribution characteristics of CIHBin Wuhan City

从武汉市CIHB历年逐月曲线图可以看出(图3)，其变化趋势整体先上升后下降，呈倒“V”字型。全市各月平均CIHB变化范围是37.15～76.16，1月份CIHB最低，其次是2、12月，7月份CIHB最高，6、8月次之，且6、7、8这三个月的CIHB值均大于70。从5月开始，人体舒适度由舒适转上升为暑热，8月下旬以后，又从暑热转换为舒适。在月际变化曲线中，武汉市上半年曲线变化较下半年表现的更为和缓。通过对比前后25年这两条不同的曲线，“后25年”这条曲线的倒“V”字变得更宽且位于“前25年”曲线之上，可以看出，武汉市后25年的逐月平均CIHB高于前25年，表现出了明显的上升趋势。

2.3 人体舒适度指数影响因子的权重关系

人体舒适度指数与温度、风速、湿度之间具有极其显著的相关性，三个要素之间互相作用，一方面表现出互相促进另一方面又互相制约。因此，针对这种复杂的相关关系，我们采用通径分析法来研究这三项指标对CIHB的作用效果，以分析温度、风速和湿度三个影响因子分别对CIHB的直接作用效果，以及其中一个影响因子如何通过另一个影响因子间接作用于CIHB的变化[19]。

表2 正态检验输出结果

首先，对因变量人体舒适度指数进行正态性检验，结果如表2所示，得出显著水平Sig.的值为0.134，远远大于0.05，所以CIHB服从正态分布规律，即CIHB是正态变量可以对其进行回归分析。通径分析结果表明(表3)，温度、风速和湿度与CIHB的相关系数分别为0.99465、-0.51067和-0.31119均大于0.05，达到显著性相关水平。其中以温度对CIHB的直接通径系数最高为0.89287，要远远高于湿度和风速，这表明温度是影响CIHB变化主要因子且温度与CIHB之间具有十分显著的正相关性。湿度和风速对CIHB的直接通径系数分别为-0.09198和-0.13407，二者的数据均较小，且风速对CIHB直接通径系数较湿度更小，因此风速和湿度是影响CIHB变化的次要因子并与CIHB呈负相关关系。然而，风速和湿度通过温度这一变量对CIHB的间接通径系数却相对较高，分别达到-0.20921和-0.41502，高于其对CIHB的直接通径系数，表明风速和湿度是通过温度间接地对CIHB产生负作用，对其直接作用效果并不明显，且温度的负作用要略小于风速。由此可知，在温度、湿度、风速这三个影响因子当中，温度对CIHB直接产生影响且为CIHB的最大影响因子，对CIHB的变化起到关键性作用，而湿度和风速则是通过温度间接地对CIHB产生负作用，影响强度风速较湿度大。

表3 人体舒适度指数与各影响因子的通径系数

图4 1967—2016年武汉市夏季各月(6、7、8)人体暑热的天数Fig.4 The heater days in June,July,and August in Wuhan City from 1967 to 2016

2.4 夏季人体感觉暑热天数的特征

作为“三大火炉”之一的武汉，夏季的气候特征表现为平均温度高、湿度大、风速小、最低气温偏高，这与武汉特定的纬度位置以及城市的地势地貌、热岛环流等相关。然而在武汉市近50年各季CIHB的变化曲线中(图4)，夏季的变化表现得最不明显，在不同季节，由于气候因子的影响存在着差异，人体对自然环境的感受表现出一定的差异性。夏季是人们外出旅游、能源消费以及各种疾病发生的高值期，同时也是人们对外界自然环境变化反应最为敏感的季节，所以有必要对夏季(6、7、8月)武汉市CIHB的变化特征进行比较分析。

由图4可以看出，武汉市近50年来6、7、8各月暑热天数均在15天以上。从近50年总体变化趋势来看，6月份暑热天数的变化幅度相对较小，没有表现出明显的上升或者下降趋势，基本上沿夏季暑热天数均值上下波动，且最大波动范围不超过12天，平均暑热天数为18.42天，暑热天数大于15天的年份占84%。相对而言，武汉市7月份暑热天数表现出明显的年际变化，基本上呈先下降后上升的趋势。第一个阶段是从1967年开始到2001年，暑热天数波动下降，2001年达历年最低值仅为3天，且该月暑热天数的均值为15天，较6、8月份最低，但这并不意味着这一年武汉市的7月份最凉爽，因为在这一个月当中热的天数共计11天，同时酷热的天数更是高达17天，由此可见，该月人体舒适度指数等级整体偏高，在当月并不会感到凉爽；第二阶段为2001年到2016年，基本上为波动上升的态势。武汉市8月份平均暑热天数为16.56天，最接近武汉市夏季(6、7、8月)平均暑热天数16.67天，其暑热天数的年均变化序列表现出先降后升的趋势，存在两个低值点分别是1998年和2003年，均为7天，暑热天数大于15的年份占54%。

图5 1967—2016年武汉市夏季人体暑热的天数Fig.5 The heater days in summer in Wuhan City from 1967 to 2016

由图5可知，夏季历年暑热天数均值为50天，其在1968年达到最高74天，2015年为次高值66天，夏季出现的暑热天数占全年的73.4%。

近50年武汉夏季暑热天数年际变化趋势大致可以分为三个阶段：第一个阶段是1967年到1975年，除去1968年的异常升高，基本上呈波动上升的态势；第二个阶段是1976年到1998年，在这个时间区间内，其夏季暑热天数表现出波动下降的趋势，且波动范围较大，1998年达50年最低值35天；第三个阶段是1999年至今，曲线的上升趋势明显变陡，可以得出在近十几年来，武汉市夏季暑热天数表现出显著的上升态势。武汉市6、7、8三个月暑热天数均值都大于15天，各月暑热天数相差较小。虽然武汉市6月暑热天数相对于7月、8月为高，但不能说明武汉市夏季6月份的天气最不舒适，因为在这一月，武汉市舒适度等级为0的天数要远远高于其他两个月。根据夏季各月暑热天数、热天数以及酷热天数所占比重，可以得出，7月份为武汉市夏季最不舒适的一个月，其次是8月份，6月则是相对较舒适的一个月份。

3 结 论

本文以武汉市1967—2016年共50年逐日气象资料为基础，重点讨论了武汉市人体舒适度指数的时间变化特征，并运用SPSS通径分析法对温度、风速和湿度等影响因子的权重关系进行对比分析，最后针对武汉市夏季历年暑热天数作出分析，结论如下。

(1)1967—2016年，武汉市年均CIHB的变化表现出较为明显的上升趋势，线性趋势达0.079/年，通过了0.05的显著性水平检验，全市CIHB的振荡周期约为3～4年，历年均值为57.69，属于较舒适型，舒适度等级为-1。

(2)武汉市四个季节中除夏季外，春、秋、冬三个季节的CIHB值均表现出一定的上升趋势，线性趋势指数均大于0.05，达到显著性水平，其中又以春季的上升态势最为明显，线性趋势达到了0.1/年，秋季次之。冬季的CIHB波动要明显大于其他三个季节，最高值与最低值之间的差值达12.2，夏季的波动幅度最小。武汉市CIHB多年平均逐月曲线变化趋势大致呈倒“V”字型，且后25年的逐月平均CIHB高于前25年，同样表现出明显的上升趋势。

(3)CIHB与温度、湿度和风速四者之间具有显著的相关性，其中，温度与CIHB呈正相关关系且为CIHB的最大影响因子，而风速和湿度对CIHB的直接作用很小，主要是通过温度对CIHB产生间接的负作用，且作用强度风速较湿度偏高。

(4)武汉市50年6、7、8月的暑热天数都在15天以上，历年夏季的暑热天数均值为50天，武汉市暑热天数变化整体上呈先上升后下降再上升的趋势。6月份平均暑热天数为18天且变化幅度较小；7月份暑热天数为15天且年序变化明显，呈先下降后上升的趋势；8月份暑热天数为17天，其变化趋势大致与7月相同，均是先下降后上升。最后根据夏季各月暑热天数、热天数以及酷热天数所占比重最后得出，7月份为武汉市夏季最不舒适的一个月，8月次之，6月则是相对最舒适的一个月份。