陈玲丽,郑 西,周小涵,刘思洋,罗 煜,王凤仙

(1.贵州省普定县气象局,贵州 普定 562100;2.湖北省嘉鱼县气象局,湖北 嘉鱼 437200;3.贵州省安顺市气象局,贵州 安顺 561000)

0 引言

在全球气候变暖的趋势下,人居环境气候舒适度已是大家热议的话题。国内许多学者已对相关气候适宜度进行了相关研究[1-6],刘恒等[7]利用温湿指数和风效指数以及人体舒适度指数对济源市人居环境气候适宜性进行了研究;尹文娟等[8]通过人居环境舒适度研究为人居环境建设提供了科学依据;吕拉昌等[9]通过人居环境气候舒适度评价对城市的创新影响进行深入分析。

普定县地处长江水系和珠江水系分水岭地带,属亚热带高原季风湿润气候,全年气候温和,但目前针对该县人居环境气候适宜度的分析尚不多见。本文研究基于谢亚玲等[10]引用的人体舒适度指数评价指标,同时引入气象要素与污染物浓度的相关性以及人体舒适度指数与空气质量指数AQI的相关性研究[11-12]概念,对普定县的人居环境气候条件进行了分析,为公众养生休闲规划提供参考。

1 材料和方法

1.1 资料来源

1971年1月1日—2022年2月28日逐日平均气压、平均气温、平均相对湿度、平均风速、降水量、日照时数等气象资料来源于普定国家气象观测站。2021年1月1日—2022年2月28日SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5日均浓度以及每日空气质量指数(AQI)等资料来源于安顺市生态环境局普定分局。季节划分以3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月—次年2月为冬季。

1.2 研究方法

利用线性趋势方程分析普定县地面观测气象要素的年际、逐月变化特征,采用人体舒适度指数指标进行气候舒适度分析,同时利用皮尔逊相关系数显著性检验[13]分析普定县2021年气象要素日值与空气污染物浓度的相关性以及人体舒适度与空气质量的逐月、季节变化特征。

1.2.1 人体舒适度指数计算公式[10]:

(1)

式中,BCMI为人体舒适度指数(表1);T为平均气温(单位:℃);RH为平均相对湿度(单位:%);V为风速(单位:m·s-1)。

表1 人体舒适度指数(BCMI)的分级标准

1.2.2 皮尔逊相关系数公式[13]:

(2)

2 结果与分析

2.1 普定县气候特征分析

2.1.1 气温 图1a显示了普定县1971—2020年平均气温的年际变化特征。在全球变暖的大背景下,普定县近50 a平均气温在14.3～16.2 ℃之间,总体呈显著上升趋势,气候倾向率为0.2 ℃/10 a,并通过α=0.01的显著性检验。常年月平均气温最高为23.0 ℃,出现在7月;月平均气温最低为5.5 ℃,出现在1月。由此可见,普定县近50 a平均气温呈增暖趋势。

图1 普定县1971—2020年平均气温(a)、平均相对湿度(b)年际变化趋势

2.1.2 相对湿度 由图1b看出,普定县近50 a年平均相对湿度在70.0%～83.0%之间,呈显著降低趋势,气候倾向率为-1%/10 a,并通过α=0.01的显著性检验。普定县常年逐月平均相对湿度在73.6%～81.6%之间波动,全年平均相对湿度最大值为81.6%,出现在1月;最小值为73.6%,出现在4月。由此可见,普定县近50 a平均相对湿度呈降低趋势。

2.1.3 风速 由图2a看出,普定县1971—2020年的年平均风速在1.1～3.0 m·s-1之间波动,整体呈弱上升趋势,未通过α=0.05的显著性检验,气候倾向率为0.04 m·s-1/10 a。普定县常年逐月平均风速在1.7～2.2 m·s-1之间波动,风速小,变化幅度不大。由此可见,普定县近50 a平均风速呈增大趋势;且风速年际变化趋势与平均湿度年际变化趋势基本一致,但其月变化呈反相位,风速在1993—2003年波动最大,而湿度在2009—2014年间变化幅度最大。

图2 普定县1971—2020年平均风速年际变化趋势(a)、日照时数年际变化趋势(b)

2.1.4 日照 由图2b可以看出,普定县近50 a年日照时数在878.3～1580.7 h之间,整体呈显著上升趋势,气候倾向率为32.5 h/10 a,并通过了α=0.05的显著性检验。普定县常年逐月日照时数最多达到161.3 h,出现在8月;最少值为44.9 h,出现在1月。由此可见,普定县近50 a日照时数呈增加趋势。

2.1.5 降水 由图3a可以看出,普定县1971—2020年逐年降水量总体呈弱减少趋势,但变化不明显,未通过α=0.05的显著性检验,气候倾向率为-26.8 mm/10 a;且年降水量最多为1769.3 mm,出现在2008年;年降水量最少为758.3 mm,出现在2013年。普定县常年逐月降水量最多294.2 mm,出现在6月;降水量最少仅16.9 mm,出现在12月。由此可知,普定县近50 a降水量呈减少趋势;降水年际变化与气温的年际变化呈反位相,但其月变化基本一致。

图3 普定县1971—2020年降水量年际变化趋势(a)、平均气压年际变化趋势(b)

2.1.6 气压 从图3b看出,普定县1971—2020年平均气压在871.2～876.7 hPa之间,呈显著降低趋势,气候倾向率为-1.0 hPa/10 a,并通过α=0.01的显著性检验。普定县常年逐月平均气压以7月份868.9 hPa为最低,以12月879.3 hPa为最高。由此可见,普定县近50 a平均气压呈降低趋势;气压月变化与日照月变化呈明显相反态势,虽然两者年际变化无明显相似性,但气压在20世纪90年代末有一次明显的降幅后年际变化趋于平缓,而日照时数间隔 30 a左右会出现比较明显的波动。

2.2 人体舒适度指数分析

利用公式(1)计算普定县1971—2020年逐年逐月人体舒适度指数(图4)。由图4a看出,普定县近50 a来的人体舒适度呈显著上升趋势,通过α=0.01的显著性检验,气候倾向率为0.24/10 a,人体舒适度指数年平均值在53～57之间,体感处于凉舒适(4级)。由图4b可以看出,普定县常年逐月体感为清凉(3级)的月份主要出现在1—3月、11—12月,即处于冬季、初春、晚秋季节,人体舒适度指数月平均值在39.2～49.7之间;体感为凉舒适(4级)的月份主要出现在4月和10月,处于春中、秋中,人体舒适度指数月平均值在56.4～56.5之间;体感为最舒适(5级)的月份主要出现在5—9月,处于春末、夏季、秋初,人体舒适度指数月平均值在61.4～62.7之间,即普定县体感舒适(含凉舒适及最舒适)月份占全年58%。

图4 普定县1971—2020年人体舒适度指数年际变化(a)和月变化(b)趋势

利用公式(1)计算出普定县1971—2020年逐日人体舒适度指数,并结合人体舒适度指数的分级标准,得到普定县人体舒适度不同等级逐月日数(表2)。由表2看出,普定县常年体感较冷(2级)有15 d,人体舒适度指数在38.0～38.9之间,占全年日数4%;体感清凉(3级)有117 d,人体舒适度指数在39.1～50.9之间,占全年日数32%;体感凉舒适(4级)有74 d,人体舒适度指数在51.0～58.9之间,占全年日数20%;体感最舒适(5级)有159 d,人体舒适度指数在59.0～68.1之间,占全年日数44%。由此可知,普定县常年人体舒适度主要在清凉(3级)—最舒适(5级)之间,且体感舒适(含凉舒适及最舒适)日数占全年总日数的64%。

表2 1971—2020年普定县人体舒适度等级逐月日数统计表(单位:d)

2.3 普定县气象条件与空气质量的相关性分析

2.3.1 气温与污染物浓度、AQI的相关性分析 利用公式(2)计算了气温与SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相关关系,结果见图5、表3。由图可知,气温与SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5的浓度呈负相关性, 并通过α=0.01的显著性检验,即气温越高,上述污染物浓度越小,表明空气质量越好;气温与SO2、NO2、CO的负相关性较强,相关系数分别为-0.593、-0.695、-0.582(表3)。气温与O3浓度、AQI呈正相关性,且气温与O3存在较强的正相关性,并通过α=0.01的显著性检验,而与AQI仅为弱正相关,未通过α=0.01的显著性检验,表明O3的浓度、AQI随着气温升高而上升,空气质量降低。

图5 普定县平均气温与SO2(a)、NO2(b)、CO(c)、O3(d)、PM10(e)、PM2.5(f)浓度及AQI(g)的相关性

表3 平均气温与污染物浓度、AQI的相关性系数

2.3.2 湿度与污染物浓度、AQI的相关性分析 利用公式(2)计算了相对湿度与SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相关关系,结果见图6、表4。由图可知相对湿度与SO2、O3、PM10、PM2.5的浓度以及AQI存在负相关性,且除SO2之外其余5种要素均通过α=0.01的显著性检验(表4),表明相对湿度越大,越有利于SO2、O3、PM10、PM2.5的浓度以及AQI降低,空气质量越好;相对湿度与O3浓度负相关性最强,相关系数为-0.666(表4);负相关性最弱为SO2,其相关系数为-0.091。而相对湿度与NO2、CO呈弱正相关性,相关系数分别为0.017、0.083,未通过α=0.01的显著性检验,表明高湿条件下会导致NO2、CO的浓度升高,不利于空气质量的提升。

表4 平均相对湿度与污染物浓度、AQI的相关性系数

2.3.3 风速与污染物浓度、AQI的相关性分析 由公式(2)计算了风速与SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相关关系,结果见图7、表5。由图可知,风速与污染物SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5的浓度及AQI存在负相关性,并通过α=0.01的显著性检验,表明风速越大,越有利于以上污染物浓度的稀释和扩散,空气质量越好;负相关性较明显的是NO2,其相关系数为-0.359;负相关性最弱的是CO,其相关系数为-0.158;而风速与O3呈弱正相关性,其相关系数为0.024,未通过α=0.01的显著性检验,表明随着风速的增大,O3浓度也会相应升高,不利于改善空气质量。

图7 普定县平均风速与SO2(a)、NO2(b)、CO(c)、O3(d)、PM10(e)、PM2.5(f)浓度及AQI(g)的相关性

表5 平均风速与污染物浓度、AQI的相关性系数表

2.3.4 降水与污染因子浓度、AQI的相关性分析 通过公式(2)计算了降水与SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相关关系,结果见图8、表6。由图可知,降水与SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5浓度存在负相关性,并通过α=0.01的显著性检验,负相关性较明显的是PM10,其相关系数为-0.223;负相关性最弱的是AQI,其相关系数为-0.122,通过α=0.05的显著性检验,即降水量越大,越有利于上述5种污染物浓度及AQI降低,空气质量越好。而降水与O3呈弱正相关性,其相关系数为0.027,未通过α=0.05的显著性检验,即降水量的增大会导致O3浓度升高,空气质量降低。

图8 普定县降水量与SO2(a)、NO2(b)、CO(c)、O3(d)、PM10(e)、PM2.5(f)浓度及AQI(g)的相关性

表6 降水量与污染物浓度、AQI的相关性系数表

2.3.5 气压与污染因子浓度、AQI的相关性分析 利用公式(2)计算了气压与SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5以及AQI的相关关系,结果见图9,表7。由图可见,气压与SO2、NO2、CO、PM2.5的浓度呈显著性正相关,通过α=0.01 的显著性检验;气压与NO2正相关性较强,其相关系数为0.437;与PM10正相关性最弱,通过α=0.05的显著性检验,表明随着气压升高,不利于上述污染物的扩散,空气质量降低。而气压与O3浓度、AQI则呈负相关性,气压与O3浓度负相关性较强,其相关系数为-0.521,通过α=0.01的显著性检验;气压与AQI负相关性较弱,其相关系数为-0.1,通过α=0.05的显著性检验,即随着气压升高,O3浓度降低,且AQI下降,空气质量得到改善。

表7 平均气压与污染物浓度、AQI的相关性系数表

2.4 普定县人体舒适度指数与空气质量指数相关性分析

由图10可看出,普定县2021年人体舒适度指数 BCMI与空气质量指数AQI的逐月变化、季节变化均呈负相关,其相关系数分别为-0.561、-0.211,均未通过α=0.05的显著性检验,表明当空气质量指数AQI越高,空气质量越差,人体舒适度越低;反之则空气污染较小,AQI越小,空气质量越好,人体舒适度越高。且从AQI逐月变化(图10a)来看,普定县4—5月(AQI为41～48)、7—11月(AQI为40～47)空气质量优,其余月份空气质量为良,表明普定县空气质量优的月份在全年占比最多;从季节变化(图10b)来看普定县4个季节AQI均值在43～49之间,空气质量均为优。

图10 普定县AQI与BCMI 月变化(a)和季节变化(b)趋势

3 结论

(1)普定县近50 a平均气温、平均风速以及日照时数呈增加趋势,相对湿度、降水量以及气压呈降低趋势。风速年际变化与相对湿度变化趋势基本一致,但其月变化呈反相位,且风速在1993—2003年波动最大,湿度在2009—2014年变化幅度最大;降水年际变化与平均气温变化呈反位相,但其月变化趋势基本一致;气压月变化与日照变化为明显的反位相态势,虽然两者年际变化无明显相似性,但可看出日照时数间隔 30 a左右会出现比较明显的波动,而气压在20世纪90年代末有1次明显的降幅后年际变化趋于平缓。

(2)近50 a来,普定县人体舒适度指数常年体感处于凉舒适(4级);逐月体感主要为凉(3级)～最舒适(5级)之间,全年体感无寒冷及酷热等级;体感为最舒适(5级)的月份为5—9月,体感为凉舒适(4级)的月份为4月、10月,体感为清凉(3级)的月份主要为1—3月、11—12月。因此,普定县常年气候宜人,且体感舒适(含凉舒适及最舒适)月份有7个月,占全年58%,适宜居住。

(3)近50 a来,普定县平均气温与大部分污染物因子浓度呈负相关性,与O3浓度以及AQI呈正相关,即平均气温越高,污染物浓度越低,空气质量越好;平均相对湿度与大部分污染物因子浓度及AQI呈负相关性,与NO2、CO呈正相关性,即平均相对湿度越大,污染物因子浓度越小,空气质量越好;平均风速、降水量与大部分污染物因子浓度及AQI呈负相关性,仅与O3呈正相关性,表明平均风速越大,降水量越多,空气中污染物浓度越小,空气质量越好;气压与大部分污染物因子浓度及AQI呈正相关性,仅与O3呈负相关性,表明气压越高,污染物浓度越大,空气质量越差。

(4)近50 a来,普定县BCMI与AQI的逐月、季节变化均呈负相关性,表明当空气质量指数AQI越高,空气质量越差,人体舒适度越低,反之则空气污染较小,空气质量越好,人体舒适度越高。普定县空气质量以4—5月、7—11月为优,表明空气质量为优的时段最多;且普定县四季空气质量均为优,适宜居住。