Estimation of Climate Comfort in Eastern China in the Context of Climate Change

JIN Anqi, ZHANG Ang, ZHAO Xinyi†

Abstract 691 sites with complete statistics in eastern China are selected, of which the hot days, cold days and comfortable days of each year from 1971 to 2010 are added up. The Temperature-humidity Index (THI) is calculated to evaluate the changes in climate comfort of the monsoon region in eastern China for recent 40 years. The trend of climate comfort change at the end of the 21st century is predicted through the comparison and analysis of the future scenario meteorological data. The results show that between 1971 and 2010, the monsoon region in eastern China is warming to some extent. The climate sensitivity of northeast and south China is higher than that of other regions. The climate sensitivity of coastal area is higher than that of inland, and the northeast region has a higher response to the climate change. Key words climate change; climate comfort; temperature-humidity index (THI); climate in the future

气候舒适度是反映人们无需借助任何消寒或避暑措施就能正常进行生理过程的气候状况的指数。气候是否宜人, 是根据一定条件下皮肤的温度、出汗量、热感和人体机能调节所必须承受的负荷确定, 主要受太阳辐射、最高(低)气温、相对湿度和风速等因素影响[1]。

在全球变暖的背景下, 评价气候变化对人类社会的影响时, 用舒适度作为评价指标, 比用温度和

湿度等气象指标具有更确切的意义。有研究预测21世纪的气温(air temperature, AT)以及体感温度(apparent temperature, AR), 结果表明, 在2005年以前, AR的上升速度比AT大 0.04 ℃ /10a, 在 RCP4.5和 RCP8.5两种情景下, 两者的差距分别提升至0.06 ℃ /10a和 0.17 ℃ /10a[2]。在中低纬区域, 用AT指标进行评价, 夏季(热)不舒适日的增量与冬季舒适日的增量达到平衡; 用AR指标进行评价, 夏季

(热)不舒适日的增量则大于冬季舒适日的增量[2]。这项研究表明, 舒适度指数能反映气象指标无法反映的气候变暖对人类社会的影响。因此, 对于全球气候增暖, 研究的对象不仅是温度, 还有与气候舒适度相关的热应力(heat stress), 即人体承受的净热负荷。在气候变暖背景下, 极端热应力可能超出人体机能调节所能承受的范畴, 危害人体健康。认识极端热、冷应力的时空变化, 对于气候变化影响的评估、事件应对能力的提升及适应性策略的制定具有重要科学意义[3]。

自20世纪60年代以来, 已出现很多气候舒适度评价的方案和指标, 评价方法也经历从“主观感受评估”到“模型构建”的变化。对气候舒适度最经典的研究是1968年由田野调查得出的一个主观派生的舒适系统, 将温湿指数叠加在二维温湿图上, 再综合日间和夜间两个分级值, 得到日舒适度分类[4]。此后, 研究者将人的主观感受或生理反应纳入经验统计模型, 构建一系列衡量指标, 例如有效温度(effective temperature, Et)、温湿指数(temperaturehumidity index, Thi)以及风寒指数(wind chill index, WCI)等。然而, 这些指标的经验性质仍导致其应用的时空局限性。20世纪60年代后, 发展出一批基于两节点人体热交换模型的机理模型指标, 其中具代表性的有体感温度(perceived temperature, PT)、标准有效温度(standard effective temperature, SET)和生理等效温度(physiological equivalent temperature, PET)等。近几年出现的通用热气候指数(universal thermal climate index, UTCI)综合了多节点人体热调节模型和自适应穿衣模型, 是当前考虑因素最全面、最具普适性的人体热、冷应力指标[3]。

气候舒适度评价用途广泛。一方面, 可以研究地区间气候变化的差异以及人体对气候的敏感性。例如, 利用舒适指数得出气候舒适日概率, 从而得到某个城市的旅游舒适期及其变化趋势[5]; 通过特定地区的田野调查来校正舒适度指数, 评价该地区人群对气候的敏感性[6]。另一方面, 可以指导人类社会的生产生活。例如, 探究气候指标与土地利用类型的关系[7]; 在全球气候变化和城市化的背景下,通过研究气候舒适度区域的分布及变化趋势, 进行气象服务和旅游规划[8]。

在人体生理气候指数中, THI应用较广泛。THI用温度计的干球、湿球、露点温度和相对湿度表示。有学者将THI用于研究我国南方体感温度分布的气候学特征, 绘制1, 4, 7和10月的THI等值线[9]。THI还应用于旅游业和农业等领域, 例如研究北京地区气候舒适度的变化, 用于评价适宜旅游的时间[1]。对我国大尺度范围内气候舒适度的变化, 已经

[10]有一些研究。吴佳等 基于高分辨率格点化逐日观测资料CN05.1 (一套包括多种气候要素、高水平分辨率的日尺度格点化数据), 引入更多气象台站的观测资料, 除原有的日平均气温、最高气温、最低气温及降水量外, 还增加日平均蒸发量、相对湿度和风速3个变量, 用考虑了气温、湿度和风速影响的有效温度ET作为热感受指标, 研究全国的舒适度变化, 结果表明, 随着全球变暖, 有效温度升高, 中国平均冷日和寒冷日以3.5 d/10a的速度减少,热日和炎热日以0.7 d/10a的速度增加, 华南地区增幅最大。赵晓妮等[11]报道, 目前全国平均舒适日数呈增加趋势, 增幅为1.3 d/10a, 但东部很多地区出现减少趋势, 特别是夏季, 整个东部地区的舒适日数都明显减少, 减幅最大可以达到2 d/10a; 全国夏季平均舒适日数从20世纪60年代的25天增加到近10年的29天, 东部地区夏季舒适日数则由20世纪60年代的26天减少为近10年的22天。预计未来随着气候的进一步变暖, 上述变化趋势将进一步加剧。

本文尝试利用THI指标评价中国东部季风区近40年的舒适度变化, 并结合RCP4.5和RCP8.5两种未来情景下的预测气象数据, 展望21世纪末中国东部地区的舒适度变化趋势。

1 研究区域及数据来源

本文研究的区域为中国东部地区, 包括黑龙江、吉林、辽宁、河北、河南、山东、江苏、安徽、浙江、江西、湖北、湖南、福建和广东14个省级行政区以及北京、天津和上海3个直辖市。由于数据可获得性原因, 本文研究区域未包括港、澳、台和南海诸岛。

选择这个区域进行研究的原因如下。首先, 该区域的气候特征具有一致性, 大部分为中国东部受季风影响强烈、气候变化活跃的地区, 对气候舒适度的变化可能更敏感; 随着辐射量的变化, 该区域从南到北又呈现差异性, 便于对气候进行分区对比。其次, 该区域近几十年来受人类活动干扰较大,舒适度研究更具现实意义。最后, 中国东部的气象