水利水电技术(中英文)㊀第52卷㊀2021年第3期
CAO Yongqiang,LU Jie.Climate comfort change and future trend forecast in Liaoning Province[J].Water Resources and Hydropower Engi-neering,2021,52(3):32-42.
辽宁省气候舒适度变化及未来趋势预测
曹永强，路㊀洁
(辽宁师范大学地理科学学院，辽宁大连㊀116029)
收稿日期:2020-06-13
基金项目：国家自然科学基金面上项目(51779114);2020年辽宁省重点研发计划(2020JH2/10200043)
作者简介：曹永强(1972 )，男，教授，博士，主要从事水文水资源方面研究㊂E-mail:caoyongqiang@lnnu.edu
摘㊀要：气候舒适度是人居环境建设的重要依据，研究其历史演变规律及未来变化趋势对人与环境协调发展至关重要㊂基于辽宁省23个典型气象站点1967 2018年逐日气象资料，利用线性倾向及通径分析等方法分析各等级舒适日数的时空分布格局及其演变特征，并探究其影响因素，在此基础上预估了未来气候变化对气候舒适度的影响程度㊂结果表明:(1)辽宁省全年舒适和热不舒适日数分别以3.22d /10a 和0.32d /10a 的速率上升，冷不舒适日数以-3.54d /10a 的速率下降;(2)各等级舒适
日数分布及变化趋势都具有空间异质性，沈阳市人口对气候舒适响应最强，朝阳市最弱;(3)舒适和
冷不舒适日数变化的主要影响因素是气温和风速，湿度只有在温度高时对热不舒适日数影响明显;(4)在未来气候变化情景下辽宁省气候舒适日数表现为先增加达到最舒适环境，而后随着气温的升高而减少
㊂
关键词：气候舒适度；时空演变；未来气候；舒适福利；辽宁省
doi :10.13928/jki.wrahe.2021.03.004开放科学(资源服务)标志码(OSID )：中图分类号:K903
文献标志码:A
文章编号:1000-0860(2021)03-0032-11
Climate comfort change and future trend forecast in Liaoning Province
CAO Yongqiang,LU Jie
(School of Geographical Sciences,Liaoning Normal University,Dalian㊀116029,Liaoning,China)
Abstract :Climate comfort is an important basis for the construction of human settlements.Research on its historical evolution
and future trends is crucial to the coordinated development of humans and the environment.Based on daily meteorological data
from 23typical meteorological stations in Liaoning Province from 1967to 2018,the spatial and temporal distribution patterns and
evolution characteristics of comfortable days of various grades are analyzed by using linear trend and path analysis methods,and the influencing factors are explored.Estimated the impact of future climate change on climate comfort.The results show that:(1)The number of comfortable and thermal uncomfort
able days in Liaoning Province increases at a rate of 3.22d /10a and 0.32d /10a,and the number of cold and uncomfortable days decreases at a rate of -3.54d /10a;(2)Both the distribution of com-fort days and the trend of change of each level are spatially heterogeneous.The population of Shenyang has the strongest response
to climate comfort and the weakest in Chaoyang.(3)The main influencing factors for the change of comfort and cold and uncom-fortable days are temperature and wind speed.When the temperature is high,the effect on the number of thermal discomfort days is obvious.(4)Under the future climate change scenario,the climate comfort day in Liaoning Province will increase first to
reach the most comfortable environment,and then decrease with the increase of temperature.
Keywords :climate comfort;time and space evolution;future climate;comfort welfare;Liaoning Province
曹永强，等//辽宁省气候舒适度变化及未来趋势预测
0㊀引㊀言
㊀㊀随着社会经济发展，人类对居住环境及生活质量的要求不断提高，气候作为影响人居环境适宜程度的主要因子，对人类行为活动具有重要指向作用㊂气候舒适度是从气象学角度评价不同天气条件下人体
冷热舒适程度的生物气象指标[1]，其意义在于可以科学指导人们旅游出行以及根据气象变化适当改变行为活动，以更好地适应环境[2]㊂人体舒适度指数是基于主要指标气温及辅助指标湿度和风速等气象因子综合作用下的较为常用的表征气候舒适度的方法[3]，能较好反映多数人的身体感受㊂因此，运用气候舒适指数及分级标准进行气候舒适度研究具有重要实践意义㊂
目前，国内外学者对气候舒适度展开了广泛研究㊂国外针对气候舒适度的研究始于20世纪40年代,BRUNT[4]首先建立了气候与人体舒适度之间的关系，阐明了各气候因子对人体舒适度的影响，使气候舒适度这一课题逐渐受到重视;TERJUNGU㊁OLI-VER等[5-6]学者提出了气候舒适度的评价模型，使气候舒适度展开了广泛的研究工作，其中包括温湿指数㊁舒适指数和和风效指数等㊂20世纪90年代以来，我国学者展开了众多气候舒适度评价的研究，主要集中于三个方面：一是人体舒适度评价指标的建立，例如李山等[7]提出了运用季节锚点法制定的具有普适性的舒适度分级标准，给出了针对中国区域的 暑 热 暖 温 凉 冷 寒 7级体感划分标准；二是研究不同尺度范围舒适度的时空演变规律，曹永强等[8-9]分析了辽宁省不同等级舒适日数的季尺度演变特征，结果表明辽宁省舒适程度夏季>秋季>春季>冬季；唐亚平等[10]使用旋转经验正交分解法(REOF)，将辽宁分成4个气候舒适区，并分析了各区域气候舒适度的空间分布特征和变化趋势；此外是在舒适度延伸的应用方面的研究，包括各旅游区舒适月份人体舒适度特征等方面，例如余志康[11]对40ʎN 以北城市夏季气候舒适度及消夏旅游潜力进行了分析，结果表明我国最适宜消夏旅游地区主要分布在高纬地区的中东部，以东北三省最具竞争力㊂
许多学者对辽宁省气候舒适度做了相关研究，但总体来说，这些研究大多集中于人体舒适度的时空演变特征分析及区划，对气候变化下人口分布对辽宁省舒适度响应的研究存在一定空白，且对其影响因素及未来气候舒适期时间长短的预测也相对较少㊂因此，本文在学习前人研究成果的基础上，选取辽宁省1967 2018年气象站点观测资料，基于气候舒适度指数及统一舒适度评价标准，统计分析辽宁省52a 来各等级舒适逐日累计日数，运用通径分析方法探讨其影响因素，在此基础上预估了未来气候变化对气候舒适度的影响，该研究结果可为辽宁省可持续发展及提升人居适宜性方面提供一定参考㊂
1㊀数据来源及研究方法
1.1㊀研究区概况
㊀㊀辽宁省位于东北平原南部，南临黄㊁渤二海，全省陆地总面积14.8万km2，占全国陆地总面积的1.5%㊂属温带大陆性季风气候区，境内雨热同期，日照丰富，积温较高，冬长夏暖，春秋季短，年平均气温在7~11ħ之间，四季分明，降水适中，年降水量在600~1100mm之间，部分地区常年多风，尤以春秋两季更为强盛，年平均风速为1.5~5.2m/s㊂辽宁省地形复杂，地貌类型多样，由山地㊁丘陵㊁平原构成，受地形影响省内区域气候各异，是我国重要的避暑胜地和风景旅游区㊂辽宁省人口集中，城市集聚，据统计,2018年末其常住人口达4359.3万人[12]㊂
1.2㊀数据来源
㊀㊀本文气象数据源于中国气象数据网(cdc. v/)，为保证数据的指标完整性㊁时间连续性和空间代表性，剔除数据不完整站点，选用1967 2018年辽宁省23个站点的平均温度㊁相对湿度㊁风速等气象指标日数据，对于缺测日数据采用线性回归模型进行插补，辽宁省气象站点分布如图1所示㊂各市面积和人口数据源于辽宁省统计局(ht-tp://www.v/tjsj/tjgb/rkpcgb/)，选取目前最新的四普(1990年)㊁五普(2000年)和六普(2010年)辽宁省各地级市人口数据㊂未来气候变化情景数据选用21世纪前期㊁中期㊁末期RCP2.6和RCP8.5排放情景下的气温资料，各模式信息参考v/cmip5/，随后敖雪基于21个CMIP5(耦合模式比较计划第五阶段)气候模式模拟结果，经等权重算术平均得到多模式集合资料(分辨率1ʎˑ1ʎ)，并双线性插值到东北地区气象站点上，将其预估结果与基准年比较后得到中国东北地区不同气候情景下未来100年的气候变化情况，具体数据见文献[13]㊂
1.3㊀研究方法
1.3.1㊀舒适度指数法
目前，国内外提出了很多气候舒适度评价模
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图1㊀辽宁省23个气象站点空间分布Fig.1㊀Spatial distribution of 23meteorological
stations in Liaoning Province
型[14]，本文综合考虑了影响气候舒适度的多种气象指标，结合辽宁省既沿海湿度大又靠近冬季风源地风速大的气候特征，采用应用相对广泛的KSSD 经验模
型[9]，计算公式为
I =1.8T +32-0.55(1-H R /100)ˑ
(1.8T -26)-3.2V
(1)
式中,T 为温度(ħ);H R 为湿度(%);V 为风速
(m /s)㊂
本文根据辽宁省气候特点，参考前人研究成果将
舒适度指数进行分级[9]，等级划分情况如表1所列㊂
表1㊀辽宁省舒适度等级划分
Table 1㊀Classification of comfort levels in Liaoning Province
感觉类别级㊀别人体感觉舒适度指数冷不舒适
舒㊀适
热不舒适
1极度寒冷，裸露皮肤冻伤I<0
2很寒冷，人体感觉极不舒适0ɤI<25
3寒冷，人体感觉不舒适25ɤI<38
4很凉，大多数人感觉不舒适38ɤI<505凉，大多数人感觉较舒适50ɤI<586温暖，人体感觉舒适
58ɤI<707暖，大多数人感觉较舒适70ɤI<758热，大多数人感觉不舒适75ɤI<809
炎热，人体感觉不舒适80ɤI<8510极热，人体感觉极不舒适85ɤI<88
11酷热，有中暑的高可能性
Iȡ88
㊀㊀此外，在进行各等级气候舒适期分析统计时，采
用数理统计方法包括线性倾向法㊁Mann-Kendall 突变检验㊁累计距平[15]等，在空间分析上采用反距离权重插值法㊂在影响因素方面采用通径分析方法[16]㊂
1.3.2㊀气候舒适期福利指标
气候舒适福利是基于各气象站点舒适期(不舒适期)数据和人口普查数据计算出来的，主要反映人口分布与气候变化的关系[17]，计算方式为
㊀㊀
L (P )=
ði
(L i ㊃P i /P )(2)
㊀㊀L (A )=ði
(L i ㊃A i /A )
(3)
I (C )=L (P )/L (A )
(4)
式中,L (P )为人均福利值(d);L i 为i 站点的气候舒适日数(d);P i 为i 站点所在地级市人口数(人);P
为全省人口数(人);L (A )为自然本底值(d);A i 为i 站点所在地级市面积(m 2);A 为全省总面积(m 2),I (C )为趋适指数㊂
气候舒适期计算得到的人均福利越大，说明人均享受的气候舒适福利越大；趋适指数反映人口对气候的响应机制，趋适指数越大，说明人口对气候的响应越强烈，若大于1，说明人口向气候舒适地区集聚，若小于1，说明人口向舒适期少的地方集聚，不同地区气候舒适期长短的差异导致人口分布迁移呈现不同的响应机制㊂1.3.3㊀通径分析
通径分析可以估算某一因子对因变量的直接影
响，也可以估算某一因子通过其他因子对因变量的间接影响[16]㊂具体公式如下㊂
若有n 个自变量(x 1,x 2, ,x n )和因变量y 间
存在相关性，线性回归方程为
y =b 0+b 1x 1+b 2x 2+ +b n x n
(5)
㊀㊀基于自变量和各因变量间相关系数r xy 及自变量间相关系数r x i x j ，对式(5)进行数学变换得到矩阵
方程
1r x 1x 2 r x 1x 2r x 2x 11
r x 2x 1︙︙︙︙r x n x 1
r x n x 2
1éëêêêêêêù
û
úú
úúúúp yx 1p yx 2︙p yx n é
ëêêêêêêùûúúúúúú=r x 1y r x 2y ︙r x n y éëêêêêêêùû
úúúúúú(6)
㊀㊀解方程(6)即可求出通径系数p ye ，表示自变量x i
对因变量y 的直接通径系数，即x i 对y 直接作用效
应;r x i y j p yx j 为自变量x i 通过x j 对因变量y 的间接通径系数，即x i 通过x j 对y 的间接作用效应㊂
2㊀结果与分析
2.1㊀辽宁省气候舒适度时空变化2.1.1㊀辽宁省气候舒适度时间变化特征
为分析辽宁省年均气候(不)舒适日数的长期变
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化，根据辽宁省1967 2018年逐日气象资料，计算逐日气候舒适度指数，经表1定义每日舒适度级别，并
通过统计得到辽宁省不同等级舒适日数多年平均值，并以气候(不)舒适日数平均值为常年值，探讨辽宁省近52a 的气候(不)
舒适期年序列变化趋势及
图2㊀辽宁省气候舒适度时间变化特征
Fig.2㊀Temporal variation characteristics of climate
comfort in Liaoning Province
距平变化特征㊂由图2(a)和2(b)可以看出,1967年以来，辽宁省气候舒适日数距平值呈明显上升趋势,
其变化速率为3.22d /10a(p <0.05)㊂年均气候舒适
日数距平在1998年前多为负值，之后多为正值，舒
适日数在1967 2018年间虽然出现多次短暂下降趋势，但总趋势是上升的，说明52a 来辽宁省气候状
况逐渐向好的方向发展，人体舒适感越来越强㊂
从热㊁冷不舒适日数时间变化曲线中可以看出,
1967年以来，辽宁省热不舒适日数呈显著上升趋势(p <0.05)，其变化速率为3.21d /10a，冷不舒适日数呈明显下降趋势(p <0.05)，其变化速率为-3.54
d /10a㊂年均气候热不舒适日数距平在1993年前多
为负值，之后多为正值，年均气候冷不舒适日数距平在1996年前多为正值，之后多为负值㊂这是由于全球气候变暖，平均气温上升明显，使辽宁省热不舒适日数逐年增加，冷不舒适日数逐年减少㊂
从年代际变化也可以看到(见图2(c)),20世纪
80年代末是辽宁省各等级舒适日数出现明显变化的时段，舒适日数由明显的负距平变为正距平，冷不舒适日数也由原来的正距平变为负距平，热不舒适日数各年代在零值附近波动变化,2010s 增加最多，达到
了0.91d，这是由于近年相较1960s 气候变化明显,
同时也印证了近年来全球气候变暖的事实㊂
为进一步判断年均气候舒适日数演变趋势的持续性变化及突变时间，对辽宁省年均气候舒适日数进行Mann-Kendall 突变检验(见图3)，由图3可以看出，尽管气候舒适日数的累计距平均为负值,1967年以来，辽宁省年均气候舒适日数经历了一次显著波动，从52a 的平均值来看，从1960年代至
1980年代末，年均气候舒适日数表现为持续减少趋
势，而在1997年之后开始呈增长趋势且至今未减；从UF 曲线和UB 曲线的交点可以看出气候舒适日数于1988年发生突变，这种现象与1987年发生的气温突变(升高)有关[18]，说明在一定区间内气温和舒适日数呈正相关
㊂
图3㊀气候舒适期累计距平和Mann-Kendall 突变检验
Fig.3㊀Cumulative anomalies and Mann-Kendall
mutation test during climate comfort period
曹永强，等//辽宁省气候舒适度变化及未来趋势预测
2.1.2㊀辽宁省气候舒适度空间分布及演变特征
统计辽宁省各站点多年平均气候(不)舒适日数，并用反距离权重插值法进行空间插值,
得到年均气候图4㊀1967 2018年辽宁省气候舒适度空间分布Fig.4㊀Spatial distribution of climate comfort in Liaoning
Province from 1967to 2018
舒适期(冷㊁热不舒适期)空间分布图(见图4)㊂图4(a)表明辽宁省年均气候舒适日数大致由辽东半岛和
西南沿海向东北递减，全省气候舒适日数均高于
151d，这是由于辽西依山，辽东靠海，使辽宁省具
有海洋性气候特点，气候湿润温差小，舒适期长[19]㊂西部地区舒适期优于东部，但其经济相对落后，在以后的发展过程中应重点发挥自身气候优势，树立生态绿发展观，做好产业规划，如在农业方面可提高农作物经济效益，发展生态农业，积极探索不同于沿海
城市的旅游特等，转变经济发展方式，实现又好又快发展㊂
由图4(b)可以看出年均热不舒适日数大致由辽宁省东北向西北和南部递增，全省气候热不舒适日数
介于0.71~2.13d，其中热不舒适期较大值主要位于辽西地区以及辽中的鞍山地区，年均热不舒适日数大约为2d 以上，这是由于西北部位于内陆，受大陆
干燥冷气团控制，夏季炎热降水少，鞍山则是由于人口密集，受城市热岛效应影响；图4(c)为冷不舒适日数空间分布图，可以看出冷不舒适日数由东北向西北和辽东半岛方向递减，与舒适日数空间分布
相反，全省冷不舒适日数均达到了187d 以上，这是由于辽东北地区相较于其他地区纬度较高，冬季寒冷漫长㊂
为了分析1967 2018年辽宁省气候(不)舒适期的分布格局及空间演变规律，统计辽宁省各站点多年平均气候(不)舒适日数线性倾向率，绘制年均(不)舒适期空间分布图(见图5)㊂从图5(a)和5(b)可以看出气候舒适日数和热不舒适日数的增加在全省具有普遍性，除少数站点外线性倾向率均为正值，舒适日数以辽东南和辽中增加趋势最为显著，其中鞍山㊁锦
州线性倾向分别达到了6.36d /10a㊁5.31d /10a,
而热不舒适日数在辽中和辽南增加趋势最为显著㊂图
5(c)为冷不舒适日数线性倾向率分布，从图中可以看出，冷不舒适日数的减少在全省具有普遍性，辽宁省各站点气候舒适日数的线性倾向率全为负值，说明全省冷不舒适日数都处于减少趋势，其中辽中鞍山以及大连㊁开原减少趋势最为显著㊂2.1.3㊀辽宁省人口对气候舒适度的响应
人口流动是一种随着社会经济发展变化并因众多
环境变化因素交织而产生的社会行为[20]，其中气候舒适度也是影响人口的迁移和流动的重要因素，因此基于四普(1980 1990年)㊁五普(1990 2000年)㊁六普
(2000 2010年)各地级市人口数据及相应时间段内各地级市所有站点气候舒适日数平均值，探讨了气候变化下人口分布对辽宁省舒适度的响应㊂
气候舒适福利是气候福利的一种类型，综合考虑了气候与人口的空间分布状况，是气候变化人文响应
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