北京西部地区气候变化及气候舒适度特征分析.pdf

2023 年第 1 期25内 蒙 古 气 象文章编号 1005-8656（2023）01-0025-06北京西部地区气候变化及气候舒适度特征分析蒋志1，李栋1，韩立峰1，杜吴鹏2，施洪波2(1.门头沟区气象局，北京 102308；2.北京市气候中心，北京 100089)摘要 利用位于北京西部山区的门头沟和斋堂两个国家气象站 19802021 年逐日气温、降水量、相对湿度、日照时数、风速等观测数据，分析北京西部的气象要素变化特征，并通过温湿、风效和舒适度三项指标统计月分布特征和年变化趋势。结果表明：门头沟区域的年平均气温、极端最高气温、年降水量和极端日降水量均呈上升趋势，而年日照时数和雨日呈现缓慢下降趋势。从气候舒适度来看，在全球变暖气候变化的大环境下，门头沟年“最舒适”的日数受影响不大，每年的 59 月最宜居，在此期间的气候条件能达到“大部分人舒适”及以上的标准。关键词 北京西部；气候特征；气候变化；气候舒适度中图分类号 P463 文献标识码 A doi：10.14174/ki.nmqx.2023.01.005 0 引言气候变化、全球变暖导致高温、干旱、暴雨、暴雪、洪水等灾害性天气易发多发，给经济和社会发展带来负面影响1-2，我国科研人员在气候变化领域也做了深入的分析。王遵娅等3全面分析了中国基本气象要素变化特征，揭示出近 50 年中国在气候变化中出现的新特征。荣艳淑等4研究表明，华北地区近 50 年变暖趋势严重，而且存在明显的干旱趋势。张殿芳等5分析了门头沟不同地形下气候特征差异。此外，气候变化也在改变着人类的居住环境。气候舒适度是指大多数人对周围空气环境感觉舒服的程度，其研究最早始于国外，至今已有近百年的历史6。TERJUNG W H 设计出了舒适指数和风效指数7，OLIVER J E 专门研究了各种气象要素对人体舒适感的影响8。国内的相关定量研究开始于20 世纪 30 年代，最初是引入国外的研究方法，之后根据我国实际情况，构建了当地的方法和模型，并以温湿指数、风效指数等应用最为广泛。如中国科学院地理所范业正等9以温湿指数（I）和风效指数（K）的组合表示相应气象条件下的人体感应，分为冷、凉、舒凉、舒适、舒暖、暖、热七个舒适度等级。陈雪等10利用 19742002 年气象观测数据分析了北京平原地区的人居气候舒适度变化趋势和特点。2009、2011 年马丽君相继做了北京旅游气候舒适度与客流量的相关分析11、北京市的旅游气候舒适度变化分析12。房小怡等13分析了 19812010 年北京城市和郊区的气候舒适度变化趋势和特征。气候条件是影响人类生产生活的重要自然要素，对它的过程监测和趋势预报可以指导工农业生产、资源配置以及社会决策。1 门头沟地理位置和气候特征作为北京唯一一个纯山区的门头沟区，地处北京正西部，总面积 1455 km2，其中 98.5%为山地，平原面积仅占 1.5%。门头沟区属中纬度大陆性季风气候，年平均日照时数约 2470 h，年平均降水量约600 mm，受中纬度大气环流的不稳定和季风影响，降水量年际变化大14。近年来，受气候变化影响，门头沟区域呈现极端气候事件频次增多、强度增强、局地对流性天气易发突发等特点5。门头沟山地众多，旅游资源极其丰富。目前门头沟正积极践行习近平总书记强调的绿水青山就是金山银山的理念，打造“一线四矿”的文旅产业布局，打响“门头沟小院”精品民宿品牌。地方政府多重举措，大力发展旅游，全力推动“绿水青山”向“金山银山”转化。影响旅游热情的除了丰富的旅游资源、便捷的交通服务外，还有一个重要因素就是天气。本着气象为民服务地方的宗旨，结合属地政府的发展规划，研究门头沟区域内气候变化特征有着重要意义，其有助于提高气候资源开发利用水平，提升应对气候变化能力；另外，为促进区域文旅产业的发展，有必要分析人居环境变化，可以使公众更加明确、直观地了解门头沟的自然环境，从而对出行和旅游等活动做出指导。2023 年第 1 期26内 蒙 古 气 象2 资料与方法2.1 数据来源本文所选资料来源于门头沟和斋堂两个气象站19802021 年逐日观测数据，气象要素包括气温、降水量、日照时数以及相对湿度和风速，用以对比的物理量包括年平均气温、年极端最高气温、历年高温（35.0）日数、年降水总量、历年降水日数、历年汛期（69 月）降水量、历年日极端最大降水量以及年日照时数，所有数据均经过北京市气象信息中心质量控制。两个站点均为国家基本气象站，建站时间长，维护情况好，观测要素全。门头沟站地处平原和浅山区过渡地带，观测数据代表着门城地区和浅山区的气候特征；斋堂站属于高山站，位于门头沟中部，数据对于深山区的气候特征有代表性。2.2 分析方法利用统计学分析方法，以时间 t 为自变量，要素 Y 为因变量，采用一元线性回归方程描述气象要素的变化趋势，即 Y(t)=at+b，其中，a 值的正、负反映上升或下降的变化趋势，a10 为气候线性倾向率15。另外，还分别从温湿指数、风效指数和舒适度指数三个方面对 19802021 年门头沟区域生态宜居情况进行了概括总结。其中温湿指数（I）是使用气温、相对湿度相结合用于估计炎热程度的一个综合指标16。I=T-0.55(1-RH)(T-14.4)(1)风效指数(K)是表征人类裸露皮肤在气温和风速不同组合作用下体感冷暖程度16。K=-(10V 0.5+10.45-V)(33-T)+8.55S (2)舒适度指数(BCMI)是根据人类机体与大气环境之间的热交换而制定的生物气象指标，从气象角度评价在不同气候条件下人的舒适感17。BCMI=(1.8T+32)-0.55(1-RH)(1.8T-26)-3.2V 0.5 (3)公式（1）、（2）、（3）中，T 为平均气温()；RH 为相对湿度(%)；V 为平均风速(ms-1)；S 为平均日照时数(h)。I 和 K 的等级划分标准如表 1 所示，BCMI 的等级划分标准如表 2 所示。表 1 温湿指数和风效指数等级划分 等级温湿指数风效指数人体感觉程度范围人体感觉程度范围1寒冷 14.0感觉寒冷，不舒服-4002冷14.0，16.9偏冷，较不舒服-400，-3003舒适17.0，25.4感觉舒服-299，-1004热25.5，27.5有热感，较不舒服-99，-105闷热 27.5闷热难受，不舒服-10 表 2 舒适度等级分级 BCMI分级人体感觉程度 9010酷热，很不舒适86，899暑热，不舒适80，858炎热，大部分人不舒适76，797闷热，少部分人不舒适71，756偏热，大部分人舒适59，705最为舒适51，584偏凉，大部分人舒适39，503清凉，少部分人不舒适26，382较冷，大部分人不舒适0，251寒冷，不舒适 3 气候变化特征分析3.1 气温变化如图 1 所示，19802021 年，门城地区和斋堂的年平均气温都呈微弱的线性上升趋势。年平均气温的气候线性倾向率，门城地区为 0.38 (10 a)-1，斋堂为 0.09 (10 a)-1，要明显偏慢很多。斋堂的气温变化主要受区域气候背景影响，更多体现了气候背景变化特征；门城地区的气温变化叠加了区域气候变化和人类活动双重影响，因此，其升温速率更大。图 1 19802021 年两站年平均气温时间序列及线性趋势y=0.038x+11.858R2=0.4376y=0.0094x+10.074R2=0.056389101112131415198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122014201620182020平均气温/年份门头沟斋堂线性(门头沟)线性(斋堂)2023 年第 1 期27内 蒙 古 气 象从年平均气温的均值来看，两站相差 2.7，其中门城地区气温平均值为 13.0，斋堂气温平均值为 10.3。最大相差 3.5，出现在 2014 年，最小相差 2.2，出现在 2009 年。从极端最高气温和高温日数（日最高气温大于35.0 为一个高温日，下同）的统计来看，如图 2 所示，两站年极端最高气温和高温日数，均呈上升趋势。其中门城和斋堂的年极端气温的气候线性倾向率分别为 0.61、0.34 (10 a)-1，而每年高温日数的气候线性倾向率分别为 2.2、2.0 d(10 a)-1。图 2 19802021 年门城地区（a）和斋堂（b）极端最高气温与高温日数的时间序列及线性趋势 经过气温的统计分析得知，19802021 年门头沟区域气温在波动中整体升高，与全球变暖的特征基本一致。3.2 日照时数变化19802021 年，斋堂要比门城地区平均每年日照时数多 254.2 h，两者的气候平均值分别为 2545 h 和 2290.8 h，差距最大年份为 2016 年，相差 466.8 h，差距最小年份为 2011 年，相差 24.8 h。如图 3 所示，19802021 年门城地区与斋堂年日照时数整体呈线性下降趋势，气候线性倾向率分别为-4.5 ha-1和-4.7 ha-1。但是也注意到 2006 年是个分水岭，19802006 年年日照时数下滑最为明显，门城地区和斋堂的气候线性倾向率分别为-17.2 ha-1和-16.4 ha-1；而20072021年呈现波动快速上升趋势，门城地区和斋堂的气候线性倾向率分别为 24.1 ha-1和 26.5 ha-1。图 3 19802021 年年日照时数的时间序列及线性趋势3.3 降水量与降水日数变化19802021 年，门城地区和斋堂降水量气候年平均值分别为 574.9、463.5 mm，门城地区要普遍多于斋堂，这也符合门头沟区降水量自平原向山区逐渐减少的气候特征，其中 2012 年相差最大，达到 453.1 mm。另外，门城地区和斋堂都在 2021 年降水量达到顶峰，分别为 1086.7、687.2 mm。门城地区最少的年份只有 264.2 mm，发生在 2014 年；斋堂最少的年份降水量只有260.7 mm，发生在1984 年。但也有特殊年份，像 1980、1981、1995、1999、2010、2014、2018 年和 2019 年这 8 年，斋堂年降水量要多于门头沟，尤其是 2018 年和 2019 年，斋堂比门头沟的降水量分别多了 146.9 mm 和 119.2 mm。如图 4a 所示，19802021 年，门城地区和斋堂年降水量均呈上升趋势，年降水量的气候线性倾向率分别为 19.3、16.1 mm(10 a)-1。然而历年降水日数却整体呈下降趋势，如图 4b所示，斋堂的年降水日数普遍要多于门城地区，其中斋堂年降水日数的气候平均值为 75 d，门城地区则为69 d。门城地区和斋堂的全年降水日数气候线性倾向率分别为-1.2、-1.6 d(10 a)-1。我们还可以看到两站的降水日数都有着明显变化，尤其是 2013 年以后，震荡幅度更为明显。以门城地区为例，2014 年降水日数为 47 d，而 2021 年就几乎翻倍暴涨至 89 d，相差了 42 d。另外就汛期降水量和极端日降水量也做了统计。如图 5a 所示，19802021 年汛期降水量也呈现微弱的上升趋势，门城地区和斋堂的气候线性倾向率分别为 13.2、7.4 mm(10 a)-1。日极端降水量也有着同样的上升趋势，如图 5b 所示，两站日极端降水量的气候线性倾向率分别为 8.1、5.4 mm(10 a)-1，门城地区极端降水量要普遍高于斋堂，其中门城地区极端日最大bay=0.0612x+36.284R2=0.1503y=0.2185x+2.7538R2=0.1903051015202530323436384042444648高温日数/d极端最高气温/年份极端最高气温()高温日数线性(极端最高气温()线性(高温日数)y=0.0341x+36.99R2=0.0614y=0.1988x+3.2009R2=0.17830510152025303234363840424446485052高温日数/d极端最高气温/年份极端最高气温()高温日数线性(极端最高气温()线性(高温日数)y=-4.507x+2387.7R2=0.097y=-4.6808x+2645.6R2=0.1001800200022002400260028003000日照时数/h年份门头沟斋堂线性(门头沟)线性(斋堂)年份年份年份2023 年第 1 期28内 蒙 古 气 象降水量为 2012 年的 260.1 mm，斋堂极端日最大降水量为 2016 年的 178.0 mm。另外可以看到从 2014 年开始，两地的极端日最大降水量波动幅度加大，变化愈发明显。图 4 19802021 年历年降水量（a）和降水日数（b）的时间序列及线性趋势图 5 19802021 年历年汛期降水量（a）和极端日最大降水量（b）的时间序列及线性趋势 4 气候舒适度特征分析气候舒适性是人体对气候的直观感受，是居住、旅游、度假等的重要影响因素之一，利用门头沟19802021 年的气象观测数据，计算出温湿指数、风效指数和舒适度指数，并分析其月分布和年变化规律。4.1 温湿、风效和舒适度指标的月统计通过门头沟和斋堂 19802021 年的逐日气象观测数据，根据公式（1）、（2）、（3）分别得出逐日的对应指标值，再做月平均，得出两站的 3 项指标的气候月平均分布。从温湿指数来看，如图 6a 所示，门城地区和斋堂最为“舒适”的月份均是 59 月，对应数值为1725.4，其他月份指数均小于17，对应“冷”或者“寒冷”。从风效指数来看，如图 6b 所示，门城地区最为“舒服”的月份为 5、6、8 月和 9 月，斋堂最为“舒服”的月份为 59 月，比门城地区多了个 7 月，而门城地区 7 月风效均值大于-100，对应“有热感，较不舒服”。13 月和 1112 月两站数值均小于-400，对应“寒冷，不舒服”。而 4、10 月两月则处于-400 和-300 之间，对应“偏冷，较不舒服”。从舒适度指数来看，如图 6c 所示，门城地区 5、6、9 月“最为舒适”。7、8 月“偏热”，4、10 月“偏凉”，但都能让“大部分人舒适”。而斋堂 59 月基本都能达到“最为舒适”的标准，没有感到“偏热”及以上的月份，其他月份都是“偏凉”及以下。4.2 历年“最舒适”日数变化从历年3 项指标达到“最舒适”标准的日数来看，19802021 年，门城地区温湿、风效和舒适度达到“最舒适”的年平均气候日数分别为 135、110 d 和 92 d，而斋堂对应的值分别为 126、115 d 和 103 d。如图 7a 所示，门城地区温湿、风效、舒适度 3 项指标达到“最舒适”的年日数，气候线性倾向率分别为 0.46、-1.66 d(10 a)-1和-0.3 d(10 a)-1；如图 7b所示，斋堂相对应的值分别为 0.71、-1.6 d(10 a)-1和0.8 d(10 a)-1。可以看到温湿指数和舒适度指数变化很缓慢，每 10 年增加或减少都不足 1 d，而两地的风效指数达到“最舒适”的天数，每 10 年接近减少 2 d。b020040060080010001200降水量/mm年份门头沟斋堂y=-0.1191x+72.132R2=0.018y=-0.1572x+78.427R2=0.044405060708090100降水日数/d年份门头沟斋堂线性(门头沟)线性(斋堂)bay=1.3179x+436.23R2=0.00y=0.7363x+344.29R2=0.0001002003004005006007008009001000降水量/mm年份门头沟斋堂线性(门头沟)线性(斋堂)ay=0.8097x+74.017R2=0.036y=0.5446x+45.281 R2=0.0467050100150200250300降水量/mm年份门头沟斋堂线性(门头沟)线性(斋堂)R2=0.0087bR2=0.00922023 年第 1 期29内 蒙 古 气 象图 6 19802021 年门头沟和斋堂的温湿(a)、风效(b)和舒适度(c)指数的气候平均值月分布051015202530123456789101112温湿度指数月份门头沟斋堂最低值最大值-800-700-600-500-400-300-200-1000123456789101112风效指数月份门头沟斋堂最小值最大值01020304050607080123456789101112舒适度指数月份门头沟斋堂最小值最大值y=0.046x+134.34R2=0.00y=-0.1661x+114.38R2=0.02y=-0.0299x+92.762R2=0.005080110140170舒适度天数/d年份温湿风效舒适度线性(温湿)线性(风效)线性(舒适度)y=0.0713x+124.61R2=0.01y=-0.1596x+118.53R2=0.03y=0.0793x+101.32R2=0.006080100120140160舒适度天数/d年份温湿度风效舒适度线性(温湿度)线性(风效)线性(舒适度)图 7 19802021 年历年门头沟(a)和斋堂(b)3 项指标达到“最舒适”天数的时间序列及线性趋势 5 结论综合以上分析，可以得出以下几个结论：(1)在全球变暖的大趋势下，19802021 年，北京西部门头沟年平均气温整体上升，其中门城地区的年平均气温上升势头最为明显，气候线性倾向率为 0.35 (10 a)-1，而斋堂年平均气温上升缓慢，气候线性倾向率仅为 0.09 (10 a)-1。门城地区的年平均气温为 13.0，斋堂则要低一些，只有 10.3，这是因为斋堂地处山区，海拔更高。(2)19802021 年，北京西部门头沟区域年降水量和汛期降水量整体呈上升趋势，汛期降水量占到全年的 75%以上，同时两者都有明显的年际变化，尤其是 2011 年以后，震荡幅度明显加大。从历年极端日最大降水量来看，亦是同样趋势。此外，全年降水日数却呈下降趋势，说明受气候变化影响，门头沟区域极端天气事件发生的强度和概率有增大的趋势。(3)北京西部门头沟区域内的降水分布特征是自东向西，自平原向山区，降水逐渐减少。19802021 年，门城地区的平均年降水量要比斋堂多110.4 mm。同时发现门城地区降水日数又要普遍少于斋堂，这就意味着门城地区发生极端降水的概率要高于斋堂地区。(4)综合分析北京西部门头沟区域19802021年的温湿指数、风效指数和舒适度指数，表明门头沟区域每年的宜居时间较长，59 月的气候条件均能达到“大部分人舒适”及以上标准。(5)在全球变暖、气候变化的大趋势下，北京西部门头沟区域 3 项人居指标的气候线性变化率不大，ababc小度度)2023 年第 1 期30内 蒙 古 气 象历年达到“最舒适”的日数呈现温湿风效舒适度的规律。其中斋堂 3 项指数达标的日数较为接近，而门城地区 3 项指数达标日数存在一定差异，这是由于门城地区除了受气候变化大环境的影响，也叠加了人类活动的影响。参考文献1 认识气候变化 关注气候安全.中国应急管理 J.2015(3)：66.2 成赛男,中国历史气候变化影响研究的思考与前瞻.中国史研究动态 J.2021(6)：73-79.3 王遵娅,丁一汇,何金海,等.近 50 年来中国气候变化特征的再分析 J.气象学报，2004.62(2)：228-236.4 荣艳淑,罗健.华北地区 19012002 年气候变化强度的演变 J.河海大学学报(自然科学版).2009,37(3)：276-280.5 张殿芳,曹久才,王芳.北京市门头沟区不同地形气候特征变化分析 J.现代农业科技.2018,(20)：202-204.6 HILL L,GRIFFTH O W,FLACK M.The measurement of the rate of heat loss at body temperature by convection,radiation and evaporationJ.Philosophical Transaction of Royap Society,1916,2017：183-220.7 TERJUNG W H.Physiologic climates of the contentious united states:a bioclimatic classification based on manJ.Annals A A G,1966,5(1)：141-179.8 OLIVER J E.Climate and Mans Environment：n Introduction to Applied 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District of Beijing from 1980 to 2021,this paper analyzed the change characteristics of meteorological elements in western Beijing,and statistics the monthly distribution characteristics and annual change trend through the three indexes of temperature and humidity,wind efficiency and comfort.The results showed that the annual average temperature,extreme maximum temperature,annual precipitation and extreme daily precipitation in Mentougou area showed an increasing trend,while the annual sunshine hours and rainy days show a slow decreasing trend.From the perspective of climate comfort,in the environment of global warming and climate change,the number of most comfortable“days in Mentougou year was not affected,and the most livable from May to September every year.During this period,the climate conditions can meet the standard of“most people comfortable”or above.Keywords Western Beijing;Climatic characteristics;Climate change;Climatic comfort