基于熵值法的四川省综合气候舒适度订正.pdf

基于近 50 a 四川省 33 个国家地面气象站的逐日观测资料，利用熵值法、距离法和百分位法，针对不同台站的海拔差异，对四川省气候舒适度进行了有效订正，并建立了气候舒适度指数在不同季节的预报模型。结果表明：（1）从未订正的综合气候舒适度指数看，除川西高原部分地区外，春、秋季四川省均为较舒适或舒适；除盆地东部部分地区外，夏季四川省由于天气凉爽，气候舒适度较好；冬季四川省气候普遍偏冷，大部分地区较不舒适；春、秋和冬季舒适地区多集中在四川盆地。（2）海拔高度对气候舒适度影响较大，海拔订正后的综合气候舒适度指数总体呈由高原山地向盆地逐渐增大的分布特征，即人体感觉由高海拔到低海拔变得逐渐舒适，达州万源市为四川省春、夏、秋季人体体感最舒适地区。（3）不同季节气候舒适度的影响因素存在显著差异，必须对应选取适宜的物理因子构建预报模型。关键词：气候舒适度；熵值法；海拔订正；地理信息系统；四川省中图分类号：P468文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-2184.2023.02.017 引言引言随着经济社会的迅速发展，人们对提高生活质量和改善生活环境的需求越来越高，相应的气候舒适度也愈发受到关注。气候舒适度是指人体在外部气象环境综合作用下的舒适度或不舒适度1。国内外有关气候舒适度的研究已有较多成果。Bruntt2提出并讨论了气候和人体舒适度之间的关系。Siple 等3提出了风寒指数（Wind Chill Index，WCI）用于评价气候舒适度。Oliver4使用温湿指数（Temperature-humidity Index，THI）和风寒指数研究并讨论了气候对人体产生的可能影响。普布次仁5使用人体舒适度指数（Comfort Indexof Human Body，CIHB）分析了西藏地区人体舒适度的时空分布特征。孙广禄等6使用了人体舒适度指数和风寒指数，分析了京津冀地区人体舒适度的时空分布特征。严霜等7基于 ArcGIS 技术，利用温湿指数对四川省旅游气候舒适度进行了评价。近年来，使用单一的气候舒适度指数已不能满足当下人们日常生活及出行旅游的服务需求，随着气候舒适度研究的深入开展，综合人体舒适度指数（Comprehensive Comfort Index，CCI）被提出并得到广泛应用。朱燕君等8使用综合人体舒适度指数，对北京奥运会期间当地的人体舒适度进行了分析。雷宇等9使用人体舒适度综合指数分析了西安城区人体舒适度指数的年际变化和季节特征。郭广等10基于综合人体舒适度指数分析了青海省不同地区人体舒适度的时间和空间分布。陈建新等11基于ArcGIS 技术，利用温湿指数、风寒指数和综合气候舒适度指数分析了南阳地区旅游适宜性的分布情况。目前，对气候舒适度的研究主要集中在温度、湿度、风速、日照和相对湿度等气候因素的影响。我国幅员辽阔、地形复杂，气候因子随海拔高度的变化而有所差异。无论是气候变化12还是生物多样性13均在不同海拔高度上表现不同。杨海燕14对我国人居适宜性的海拔高度进行了分级研究发现，海拔低于800 m 时很适宜人类居住，海拔高度介于 8001800 m时适宜人类居住。可见，有必要对四川省这种海拔差异显著地区的气候舒适度分布情况进行深入研究。因此，本文选取近 50 a 四川省 33 个国家地面气象站的逐日观测资料，基于温湿指数、风寒指数和着衣指数（Index of Clothing，ICL），计算得到综合气候舒适指数，使用熵值法和距离法对其进行海拔高度订正，并采用百分位法进行分级，分析了四川地区综合气候舒适指数的空间分布特征，建立了不同季节气候预报模型，旨在为提升人体舒适度气象服务水平提供科技依据。11资料与方法资料与方法1.1数据来源研究选取了四川省 33 个国家级气象台站的逐日 收稿日期：2022 07 19资助项目：国家自然科学基金项目（4101075）作者简介：孙文慧，硕士研究生，主要从事大气物理与大气环境、气候变化研究。E-mail: 第 43 卷 第 2 期高原山地气象研究Vol.43 No.22023 年 6 月Plateau and Mountain Meteorology ResearchJun.2023平均温度、相对湿度和风速资料，包括 19692019 年若尔盖、红原、德格、甘孜、色达、昭觉、雷波、松潘、马尔康、都江堰、巴塘、新龙、木里、九龙、稻城、小金、康定、乐山、越西、盐源、会理、万源、遂宁、高坪、叙永、阆中、巴中、达县、西昌、东兴、温江共 31个站点和 19672017 年绵阳、雅安共 2 个站点，均来源于国家气象信息中心。采用气象季节划分法，冬季为 12 月到翌年 2 月，春季为 35 月，夏季为 68 月，秋季为 911 月。1.2研究方法1.2.1温湿指数温湿指数是人体感知气候的主要指标，利用大气温度和相对湿度来体现人体与周围环境之间的热量交换。计算公式如下：THI=(1.8 t+32)0.55(1 f)(1.8 t26)（1）式中：THI 代表温湿指数，t 代表摄氏温度，f 代表相对湿度。1.2.2风寒指数风寒指数是指人体在寒冷地区或寒冷季节感到寒冷的程度1。计算公式如下：WCI=(10.9V+9.0V)(33t)（2）式中：WIC 代表风寒指数，t 代表摄氏温度，V 代表风速。1.2.3着衣指数通过选择合适的服装可以调节气候对人体的影响，因此着衣指数被认为是体现气候舒适度的一个重要指标15。计算公式如下：ICL=33t0.155 HH+aRcos(b)(0.62+19.0V)H（3）式中：ICL 代表着衣指数；t 代表摄氏温度；H 代表人体代谢率的 75%，一般认为人体代谢率为 87 W/m2（轻活动量）；a 代表人体对太阳辐射的吸收情况（本文取0.06）；R 代表垂直于阳光的单位面积土地接受到的太阳辐射；为太阳高度角；V 为风速。1.2.4综合气候舒适度指数综合气候舒适度指数16能综合反映气候舒适度，是基于温湿指数、风寒指数和着衣指数，采用专家打分和层次分析法确定三项指数各自的权重，计算得到。具体公式如下：CCI=0.6CTHI+0.3CWCI+0.1CICL（4）式中：CCI 表示综合气候舒适度指数；CTHI、CWCI和CICL分别表示温湿指数、风寒指数和着衣指数的分级赋值。表 1 给出了温湿指数、风寒指数和着衣指数的分级赋值标准1718。其中，7CCI9 为舒适，5CCI7 为较舒适，3CCI5 为较不舒适，1CCI3 为不舒适19。1.2.5海拔高度订正为了更好地研究海拔高度对气候舒适度的影响，并确定合理的舒适度等级，本文采用“距离法”构建自然环境中综合气候舒适度指数与海拔高度之间的距离模型。（1）熵值法为解决不同类型数据之间的可比性，利用公式（5）和公式（6），将综合气候舒适度指数和海拔高度进行标准化和规范化。xij=xijxminjxmaxjxminj（5）xmaxj=maxxij，xminj=minxij式中：。yij=xij+0.5mi=1(xij+0.5)1000（6）采用熵值法，计算得到海拔高度和综合气候舒适度指数的影响权重，分别为 0.820 和 0.198。具体公式如下：表 1 温湿指数、风寒指数和着衣指数的分级标准及赋值 温湿指数（THI）风寒指数（WCI）着衣指数（ICL）赋值分级人体感觉分级人体感觉分级适宜着衣900寒冷2.5羽绒或毛皮衣14045寒冷、不舒适701900很冷1.82.5便服加坚实外套34555偏冷、较不舒适501700很凉1.51.8冬季常用服装55560清凉、舒适301500凉爽舒适1.31.5春秋常用便服76065凉、非常舒适151300很舒适0.71.3衬衫和常用便服96570暖、舒适81150暖和舒适0.50.7轻便夏服77075偏热、较不舒适5180较热0.30.5短袖开领衫57580闷热、不舒适16052很热0.10.3热带单衣380极闷热、很不舒适160炎热0.1超短裙1128高原山地气象研究第 43 卷ej=1lnmmi=1yijlnyij（7）dj=1ej（8）Wj=djn1dj（9）（2）距离法确定综合气候舒适度指数舒适点为 8（取舒适状态下 79 的平均值），确定海拔高度舒适点为 900 m（取舒适状态下 01800 m 的平均值）。综合气候舒适度指数、海拔高度经标准化、规范化处理后，确定出最佳点（1.83，3.26）为圆心，固定权重下每个观测点与圆心之间的距离为经海拔订正后的综合气候舒适度指数（SI）。计算公式如下：SI=0.802(H1.83)2+0.198(CCI3.26)2（10）式中：H 与 CCI 表示经过公式（5）和公式（6）处理后的数据。（3）百分位法根据世界气象组织推荐计算极端气候事件的百分位法20，将近 50 a 四川省 33 个代表性站点的逐月SI 值序列按照从小到大顺序排列，并以整个序列的前 10%、30%、70%和 90%分位为阈值进行划分，得到四川省经海拔订正后的综合气候舒适度指数等级范围（表 2）。表 2 经海拔订正后四川省综合气候舒适度指数等级划分 SI1.85人体感觉最舒适舒适较舒适较不舒适不舒适22结果分析结果分析2.1CCI空间分布特征基于温湿指数、风寒指数以及着衣指数，分别计算出近 50 a 四川省不同季节的综合气候舒适度指数，并用 ArcGIS 绘制了空间分布（图 1）。春季（图 1a），川西高原色达、甘孜、若尔盖、松潘、康定、稻城和红原的 CCI 介于 35，人体感觉较不舒适；四川其余地区舒适度较好，尤其是四川盆地大部和川西南山地的西昌、盐源和会理，舒适度最好，CCI 均高于 7。总体来看，春季四川省舒适度大部分地区都处于较舒适的水平，四川盆地达到舒适水平。夏季（图 1b），四川盆地东部巴中、达县、阆中、高坪、遂宁、东兴和叙永的 CCI 均介于 35，天气偏热，人体感觉较不舒适；越西、新龙、马尔康、德格、甘孜、小金、九龙、木里、雷波、康定、昭觉、盐源、会理和西昌的 CCI 均介于 79，气候适宜，人体感觉舒适；四川其余地区 CCI 均介于 57，人体感觉较舒适。总体 叙永温江东兴高坪遂宁达县巴中阆中万源会理西昌盐源雷波昭觉越西九龙木里乐山康定稻城雅安新龙巴塘绵阳松潘小金红原色达甘孜德格都江堰马尔康若尔盖011022033044055011022033044055011022033044055011022033044055站点舒适程度舒适较舒适较不舒适站点舒适程度舒适较舒适较不舒适站点舒适程度舒适较舒适较不舒适站点舒适程度舒适较舒适较不舒适叙永温江东兴高坪遂宁达县巴中阆中万源会理西昌盐源雷波昭觉越西九龙木里乐山康定稻城雅安新龙巴塘绵阳松潘小金红原色达甘孜德格都江堰马尔康若尔盖叙永温江东兴高坪遂宁达县巴中阆中万源会理西昌盐源雷波昭觉越西九龙木里乐山康定稻城雅安新龙巴塘绵阳松潘小金红原色达甘孜德格都江堰马尔康若尔盖叙永温江东兴高坪遂宁达县巴中阆中万源会理西昌盐源雷波昭觉越西九龙木里乐山康定稻城雅安新龙巴塘绵阳松潘小金红原色达甘孜德格都江堰马尔康若尔盖(a)(c)(d)(b)kmkmkmkm 图 1 近 50 a 四川省不同季节 CCI 空间分布（a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季）第 2 期孙文慧，等：基于熵值法的四川省综合气候舒适度订正129来看，夏季四川省 CCI 偏高，川西高原和西南山地偏凉爽，气候适宜，四川盆地部分地区气候偏热，较不舒适。秋季（图 1c），四川省 CCI 空间分布特征与春季类似。若尔盖、色达、红原、松潘、德格、稻城、甘孜和新龙的 CCI 介于 35，气候偏冷，人体感觉较不舒适；川西南山地的西昌、会理和四川盆地的雅安、温江、乐山、阆中、高坪、达县、遂宁以及东兴 CCI 均介于79，人体感觉舒适，其中西昌最优。总体来看，秋季四川省整体偏凉爽，大部分地区 CCI 偏高，人体感觉均为较舒适或舒适。冬季（图 1d），川西高原色达、甘孜、新龙、红原、若尔盖、马尔康和松潘的 CCI 低于 3，人体感觉寒冷且不舒适；盆地东部达县、高坪、遂宁、东兴和叙永的 CCI 介于 57，人体感觉较舒适；川西高原和四川盆地其他地区以及川西南山地的 CCI 介于 35，天气偏冷，大部分人感觉不舒适。总体来看，四川省冬季温度偏低，CCI 整体偏低，大部分地区均为较不舒适或不舒适，没有舒适地区。2.2SI空间分布特征通过熵值法、距离法和百分位法得到海拔订正后的四川省综合气候舒适度指数，使用 ArcGIS 软件绘制了不同季节的空间分布（图 2）。春季（图 2a），川西高原色达、若尔盖和稻城的 SI均超过 1.86，人体感觉不舒适，尤其是色达 SI 高达2.13，是所有地区中最不舒适的；川西高原德格、甘孜、新龙、红原、松潘和九龙的 SI 介于 1.391.84，人体感觉较不舒适；四川盆地绵阳、都江堰、温江、雅安、乐山、雷波、巴塘和万源的 SI 均低于 0.53，人体感觉为舒适，尤其是万源 SI 为 0.30，人体感觉为最舒适；其余地区 SI 均介于 0.531.26，人体感觉为较舒适。经海拔订正后，九龙和松潘地区由较舒适变为较不舒适，康定地区由较不舒适变为较舒适，川西高原色达、若尔盖和稻城地区由于海拔高、含氧量低，由较不舒适变为不舒适。夏季（图 2b），川西高原稻城和色达的 SI 分别为1.99 和 2.13，人体感觉不舒适，德格、甘孜、新龙、若尔盖、红原和松潘的 SI 介于 1.351.81，人体感觉较不舒适；四川盆地绵阳、都江堰、温江、乐山、雷波、雅安、万源以及川西南山地部分地区 SI 均低于 0.53，人体感觉舒适，尤其是四川盆地都江堰、雅安、雷波、万源和川西南山地西昌 SI 均低于 0.34，人体感觉非常舒适，其中都江堰（0.27）是所有地区中最舒适的；四川其余地区 SI 为 0.531.22，人体感觉较舒适。经海 011022033044055011022033044055011022033044055011022033044055!站点最舒适舒适程度舒适较舒适较不舒适不舒适!站点最舒适舒适程度舒适较舒适较不舒适不舒适!站点最舒适舒适程度舒适较舒适较不舒适不舒适!站点最舒适舒适程度舒适较舒适较不舒适不舒适011022033044055(a)(c)(b)(d)kmkmkmkm 图 2 同图 1，但为 SI130高原山地气象研究第 43 卷拔订正后，都江堰、雅安和万源地区由较舒适变为最舒适，盆地东部的阆中、高坪、达县、遂宁、东兴和叙永地区由较不舒适变为较舒适，川西高原部分地区和川西南山区由舒适转变为较舒适，川西高原的德格、甘孜、红原和松潘由较舒适变为较不舒适，色达和稻城地区由较舒适变为不舒适。秋季（图 2c），川西高原红原、若尔盖、稻城和色达的 SI 分别为 1.90、1.96、2.03 和 2.18，人体感觉不舒适，而德格、甘孜、新龙、九龙和松潘的 SI 介于 1.43178，人体感觉较不舒适；川西南山地西昌和四川盆地的 SI 均低于 0.48，人体感觉舒适，其中西昌、雅安、都江堰、温江和万源的 SI 低于 0.33，人体感觉最舒适。经海拔订正后，都江堰、雅安、温江、乐山和万源由较舒适或舒适，而川西南山地西昌、会理由舒适变为较舒适，九龙和康定由较舒适和较不舒适变为较不舒适和较舒适，川西高原色达、红原、若尔盖和稻城由较不舒适变为不舒适。冬季（图 2d），川西高原甘孜、若尔盖、红原、稻城和色达的 SI 分别为 1.89、1.96、2.02、2.07 和 2.28，人体感觉不舒适，德格、新龙、九龙、马尔康和松潘的 SI 介于 1.381.72，人体感觉较不舒适；四川盆地温江、乐山和叙永的 SI 均低于 0.53，人体感觉舒适；巴塘、川西南山区和四川盆地其他地区的 SI 介于 0.531.23，人体感觉较舒适。经海拔订正后，都江堰、雅安、温江、乐山和叙永由较舒适或较不舒适转变为舒适，而川西高原德格、新龙和松潘由不舒适转变为较不舒适，稻城由较不舒适转变为不舒适，色达、甘孜、红原和若尔盖在订正前后均为不舒适，四川其余地区均由较不舒适转变为较舒适。综上所述，在四川省平均海拔 700 m 及以下，大部分地区四季综合气候舒适度为最舒适或舒适，少部分地区如阆中、达川、遂宁、高坪、东兴在春、夏、冬季均表现为较舒适；在平均海拔 8001800 m，雷波地区春、夏、秋季综合气候舒适度多表现为舒适，西昌地区在夏季和秋季表现为舒适，其余地区均为较舒适；在平均海拔 18002800 m，除马尔康和康定在冬季表现为不舒适外，其余地区四季均表现为较舒适；在海拔高度约 2800 m 以上的川西高原，四季综合气候舒适度均为不舒适或较不舒适；四川盆地都江堰、温江、雅安和乐山地区一年四季均为舒适，尤其是万源在春、夏、秋三个季节均为最舒适地区。对比图 1 可知，海拔高度也是影响气候舒适度指数的重要因素，海拔订正后的综合气候舒适度指数总体呈由高原山地向盆地逐渐增大的分布特征，即人体感觉由高海拔到低海拔变得逐渐舒适，其空间分布特征更加科学合理，能更好地为四川地区工作生活、日常出行和旅游活动提供精确指导。2.3人体舒适度指数预报模型为构建不同季节综合气候舒适度指数的预报模型，将近 50 a 四川省四季的 CCI、SI、温度、相对湿度、风速及各气象站点的经度、纬度、海拔高度导入 SPSS软件中进行逐步回归分析，结果如表 3 所示。四川省四季 CCI 均与纬度呈负相关，纬度越低，人体舒适度越高，春、秋、冬季 CCI 还与温度呈正相关，温度越高，人体舒适度越高；四川省四季 SI 均与海拔高度呈正相关，春、夏、秋季 SI 还与经度呈显著正相关，冬季 SI与温度呈负相关。可见，不同季节气候舒适度的影响因素存在显著差异，必须对应选取适宜的物理因子构建预报模型。33结论结论本文选取近 50 a 四川地区逐日观测数据，计算得到综合气候舒适度指数并对其进行海拔高度订正，分析了该地区不同季节气候舒适度的空间分布特征，建表 3 人体综合舒适度指数的预报模型 预报模型R2np春CCI=0.315t0.163+18.950.90330.01SI=0.00041h+0.0471.160.91330.01夏CCI=0.32+39.250.37330.01SI=0.00038h+0.0651.710.87330.01秋CCI=0.28t0.14+16.620.88330.01SI=0.00047h+0.0561.640.94330.01冬CCI=0.23t0.37+3.650.91330.01SI=0.00030h0.041t+0.670.96330.01t、h 注：CCL、SI、分别代表综合舒适度指数、基于海拔订正后的综合舒适度指数、温度、海拔高度、经度、纬度。n为样本量，P0.01表示通过99%水平的显著性检验。第 2 期孙文慧，等：基于熵值法的四川省综合气候舒适度订正131立了相应的气候预报模型，得到如下主要结论：(1)从订正前的综合气候舒适度指数看，四川省春季和秋季除川西高原的若尔盖、甘孜、色达、红原和新龙外，其他地区气候都较宜人，人体舒适度为较舒适或舒适；夏季，盆地东部部分地区由于气候炎热，人体舒适度为较不舒适，而其他地区由于天气凉爽，人体舒适度较好；冬季，四川地区气候普遍偏冷，气候舒适度指数较低，大部分地区较不舒适；春季、秋季和冬季舒适地区多集中在四川盆地。(2)海拔高度对综合气候舒适度影响较大，海拔订正后的该指数总体呈由高原山地向盆地逐渐增大的分布特征，即人体感觉由高海拔到低海拔变得逐渐舒适。海拔在 700 m 及以下，大部分地区四季气候舒适度表现为最舒适、舒适或较舒适；海拔在 8001800 m，区域气候舒适度均为舒适或较舒适；海拔在 18002800 m，除马尔康和康定在冬季表现为不舒适外，其余地区四季均为较舒适；海拔在 2800 m 以上的川西高原，由于受到高海拔和低含氧量的影响，四季气候舒适度均为不舒适和较不舒适。春、夏、秋季最舒适地区均为万源，冬季没有最舒适地区。（3）海拔高度订正后的综合气候舒适度指数空间分布特征更加科学合理，构建的预报模型能更好地为四川地区工作生活、日常出行和旅游活动提供精确指导。参考文献 孙美淑,李山.气候舒适度评价的经验模型:回顾与展望J.旅游学刊,2015，30（12）：19 34 1 Brunt D.Climate and human 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810600,China)Abstract：Based on the daily meteorological data from 33 national terrestrial meteorological observation stations in Sichuan Provincein recent 50 years,according to the altitude difference of different stations,the climate comfort in Sichuan Province was effectively correc-ted by using entropy method,distance method and percentile method,and the prediction model of climate comfort index in different sea-132高原山地气象研究第 43 卷sons was established.The results show that:(1)From the point of view of the uncorrected comprehensive climate comfort index,exceptfor some areas of the western Sichuan Plateau,Sichuan Province is more comfortable or comfortable in spring and autumn.In addition tothe eastern part of the Basin,Sichuan Province has a good climate comfort in summer due to the cool weather.In winter,the climate inSichuan Province is generally cold,and most areas are not comfortable.The comfortable areas in spring,autumn and winter are mostlyconcentrated in the Sichuan Basin.(2)Altitude has a great influence on climate comfort.The comprehensive climate comfort index afteraltitude correction generally increases from plateau mountains to basins,that is,the human body feels gradually comfortable from highaltitude to low altitude.Wanyuan,Dazhou is the most comfortable area for human body in spring,summer and autumn in SichuanProvince.(3)There are significant differences in the influencing factors of climate comfort in different seasons,and appropriate physicalfactors must be selected to construct the prediction model.Keywords：Climate comfort，Entropy method，Elevation revision，GIS，Sichuan Province第 2 期孙文慧，等：基于熵值法的四川省综合气候舒适度订正133