一種具有夏熱期響應(yīng)的相對(duì)舒適度指數(shù)

一種具有夏熱期響應(yīng)的相對(duì)舒適度指數(shù)

為了衡量不同天氣條件下人體的舒適度，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了許多舒適度指數(shù)。它包括溫度和濕度的溫度指數(shù)、溫度和風(fēng)的寒風(fēng)溫度，以及由人類熱量平衡方程（包括太陽(yáng)輻射、高度和各種生理過(guò)程、服裝和熱量傳輸）確定的人體感覺(jué)溫度。這些指數(shù)在人體熱舒適、生物氣候條件評(píng)價(jià)、氣象與健康以及城市規(guī)劃等方面得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái),我國(guó)各地對(duì)人體舒適度的研究和預(yù)報(bào)也在逐步興起,但是絕大部分用來(lái)衡量熱舒適狀況的指數(shù)都是絕對(duì)指標(biāo)。事實(shí)上,由于地域和季節(jié)上的差異,人體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性會(huì)有變化,如南方人對(duì)炎熱的適應(yīng)能力較北方人強(qiáng),在同一地區(qū)夏季末人體對(duì)炎熱的適應(yīng)能力比初夏時(shí)強(qiáng)。由于我國(guó)幅員廣闊,南北氣候差異顯著,人體對(duì)于熱環(huán)境的適應(yīng)性也一定存在著明顯的差異,用統(tǒng)一的絕對(duì)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)各地的熱舒適狀況,必然有其局限性。為了改進(jìn)目前被廣泛應(yīng)用的絕對(duì)舒適度指數(shù)的局限性,本文介紹一種可以用來(lái)衡量夏季暑熱程度的相對(duì)舒適度指數(shù)(RelativeComfortIndex,簡(jiǎn)稱RCI)。該指數(shù)使用的資料是基于目前基本臺(tái)站逐日觀測(cè)資料,還包含了有些指標(biāo)沒(méi)有考慮到的因子,如高溫天氣的持續(xù)天數(shù)、云量、有效累積溫度等。該指標(biāo)與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果相結(jié)合,可以用于夏季舒適度的預(yù)報(bào),也可用于高溫?zé)崂藢?duì)人體健康影響方面的研究。1年6—相對(duì)舒適度指數(shù)的建立本文采用上海龍華氣象站1956—1998年6—8月的逐日4次常規(guī)氣象資料,包括4個(gè)時(shí)次(02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)、20時(shí))的氣溫、露點(diǎn)和14時(shí)云量等要素。1.1顯溫公式的確定顯溫又稱熱指數(shù)(HeatIndex),是美國(guó)、加拿大、以色列等國(guó)家用于評(píng)價(jià)夏季人體舒適狀況的指標(biāo),該指標(biāo)主要考慮溫度和濕度對(duì)人體舒適狀況的綜合影響。顯溫公式如下式所示:Tap=?2.653+0.994Ta+0.0153T2d。式中,Tap為顯溫(℃),Ta為氣溫(℃),Td為露點(diǎn)溫度(℃)。使用氣象臺(tái)站一日4個(gè)時(shí)次的溫度和露點(diǎn)可以計(jì)算出4個(gè)時(shí)次的顯溫,并可計(jì)算顯溫的平均值(Tap,mean)、最高值(Tap,max)和最低值(Tap,min)。1.2熱云量的確定根據(jù)前人在高溫?zé)崂伺c健康方面的研究成果,本文選用5個(gè)變量來(lái)構(gòu)建衡量夏季暑熱程度的相對(duì)舒適度指數(shù),分別為日最高顯溫(Tap,max)、日最低顯溫(Tap,min)、有效累積溫度(TCDD)、14時(shí)云量(C14)和熱日的連續(xù)天數(shù)(DCONS)。日最高顯溫對(duì)人體舒適狀況的影響效果是顯而易見(jiàn)的,但是最低顯溫也和最高顯溫一樣重要,最低顯溫可以衡量夜間的熱狀況,最低顯溫值高同樣會(huì)增加環(huán)境對(duì)人體的熱不舒適程度。有效累積溫度(TCDD)是衡量熱量累積的量,可由下式計(jì)算:TCDD=(Tap,02?20)+(Tap,08?20)+(Tap,14?20)+(Tap,20?20)。式中,Tap,02、Tap,08、Tap,14、Tap,20分別為02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的顯溫。C14為14時(shí)云量。選擇14時(shí)云量是因?yàn)榘滋烨缈胀ǔＪ窃黾訙囟群吞?yáng)輻射,會(huì)導(dǎo)致環(huán)境對(duì)人體的熱脅迫。而引入熱日的連續(xù)天數(shù)(DCONS)是因?yàn)榭紤]到持續(xù)炎熱對(duì)人體健康的不利影響。本文中熱日的定義為,如果當(dāng)日最高顯溫值大于最高顯溫平均值一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上就認(rèn)為該日為熱日,計(jì)算熱日的連續(xù)天數(shù),如果熱日中斷,則重新計(jì)數(shù)。1.3變量頻率分布分別統(tǒng)計(jì)上海龍華氣象站1956—1998年夏季(本文取6月、7月、8月)5個(gè)變量的頻率分布,發(fā)現(xiàn)Tap,max、Tap,min、TCDD、DCONS頻率分布均可近似為β分布(以7月份為例,見(jiàn)圖1),而14時(shí)的云量由于變化較大可以采用經(jīng)驗(yàn)分布,也就是直接擬合而不采用近似和平滑(圖2)。1.4積頻率變化的范圍根據(jù)以上5個(gè)變量的分布函數(shù)和逐日各變量的值可以得到逐日各變量的累積頻率,累積頻率變化范圍為0~1.0(也即0%~100%),它表示小于該變量值出現(xiàn)的可能性(表1)。以上海1997年7月20日為例,當(dāng)日最高顯溫值40.7℃的累積頻率為0.88。說(shuō)明88%的日子其最高顯溫都在40.7℃以下。1.5單相關(guān)系數(shù)的確定對(duì)于逐日相對(duì)舒適度指數(shù)可以用5個(gè)變量的累積頻率加權(quán)求和所得,公式如下:IRC=W1×P(Tap,max)+W2×P(Tap,min)+W3×P(TCDD)+W4×P(DCONS)+W5×(1?P(C14))。式中,IRC為相對(duì)舒適度指數(shù)(RCI),P(Tap,max)、P(Tap,min)、P(TCDD)、P(DCONS)、P(C14)分別為逐日最高顯溫、最低顯溫、有效累積溫度、熱日連續(xù)天數(shù)和14時(shí)云量的累積頻率。W1~W5分別為各自的權(quán)重。由于云量的作用在晴天時(shí)比多云時(shí)的效應(yīng)大,在統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)中稱為低優(yōu)指標(biāo)。通常要求所有指標(biāo)的變化方向一致(即所謂同趨勢(shì)化),也就是將低優(yōu)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為高優(yōu)指標(biāo)。本文的轉(zhuǎn)化方式為取1-P(C14)。為了確定權(quán)重,采用相關(guān)系數(shù)方法,利用上海疾病預(yù)防控制中心提供的1989—1998年夏季6—8月超額死亡數(shù)(共920個(gè)樣本)與P(Tap,max)、P(Tap,min)、P(TCDD)、P(DCONS)、P(C14)進(jìn)行單相關(guān)分析。本文超額死亡數(shù)的計(jì)算為逐日死亡數(shù)減去同期常年平均死亡人數(shù),超額死亡數(shù)與各變量的單相關(guān)系數(shù)分別為0.365,0.263,0.271,0.341,0.162,均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(α<0.0001)。將單相關(guān)系數(shù)歸一化得到的權(quán)重分別為W1=0.26、W2=0.19、W3=0.19、W4=0.24、W5=0.12)。從公式可以看出相對(duì)舒適度指數(shù)(RCI)的范圍為0~1.0(也即0%~100%),IRC值越大,說(shuō)明受高溫暑熱的影響越大。以上海1997年7月20日為例,該日相對(duì)熱指數(shù)綜合值為79%。2熱時(shí)時(shí)間的變化相對(duì)舒適度指數(shù)能夠反映出夏季不同月份同一氣象條件下的相對(duì)舒適程度。從6—8月各變量的頻率分布(圖3)可以看出,最高顯溫(Tap,max)、最低顯溫(Tap,min)、有效累積溫度(TCDD)和14時(shí)云量(C14)的頻率分布曲線在夏季6—8月是有差異的,除了14時(shí)云量分布外,6月份Tap,max、Tap,min、TCDD的頻率分布曲線和7月、8月相差特別明顯。這些差異可以說(shuō)明同樣的氣象條件在7、8月份可能不會(huì)感覺(jué)熱不舒服,而在6月份卻會(huì)感覺(jué)明顯熱不舒服。相對(duì)舒適度指數(shù)能夠反映夏季暑熱程度以及與熱死亡的關(guān)系。本文計(jì)算了1989—1998年夏季(6—8月)逐日相對(duì)舒適度指數(shù),并把相對(duì)舒適度指數(shù)最大的10d其天氣條件及相應(yīng)的累積頻率與當(dāng)日超額死亡數(shù)列于表2?？梢钥闯鱿鄬?duì)舒適度指數(shù)最大的10d一般都具有云量少、最高和最低顯溫比較高、熱日持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和有效累積溫度高的特點(diǎn)。相對(duì)舒適度指數(shù)大也和較大的超額日死亡人數(shù)聯(lián)系在一起。表3為相對(duì)舒適度指數(shù)和暑熱程度的等級(jí)劃分,從表3可以看出相對(duì)舒適度指數(shù)能夠綜合反映當(dāng)日的熱舒適狀況。當(dāng)環(huán)境氣象條件處于舒適和涼的情況下,平均日超額死亡數(shù)為負(fù)值,也就是平均日死亡數(shù)低于常年同期平均。而當(dāng)人體處于不同等級(jí)熱不舒適狀態(tài)時(shí),相應(yīng)的平均日超額死亡數(shù)明顯上升,特別是暑熱程度達(dá)到極端熱不舒適時(shí),日超額平均死亡數(shù)達(dá)到最大。由此可以運(yùn)用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和構(gòu)建的相對(duì)舒適度指數(shù)進(jìn)行夏季暑熱程度的預(yù)報(bào)。3對(duì)于適用于其他地區(qū)的預(yù)報(bào)人體在環(huán)境中的熱感覺(jué)是許多氣象要素綜合作用的結(jié)果,本文介紹的相對(duì)舒適度指數(shù)是能夠反映人體熱感覺(jué)在季節(jié)和空間上存在相對(duì)性的一種相對(duì)指標(biāo),還探討了相對(duì)舒適度指數(shù)與夏季熱死亡的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)該指標(biāo)能夠很好地反映夏季暑熱狀況,可以被用于日常的夏季暑熱程度的預(yù)報(bào),而且可適用于其他許多環(huán)境問(wèn)題的評(píng)價(jià)。事實(shí)上,目前廣泛使用的一些舒適度指標(biāo)僅僅考慮了非常有限的要素(如溫度和濕度),且大多為經(jīng)驗(yàn)公式,且各地針對(duì)本地的實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)整。如果這些絕對(duì)指標(biāo)推廣到其他地區(qū)就會(huì)出現(xiàn)偏差。本文提出的相對(duì)舒適度指數(shù)是考慮了對(duì)于夏季炎熱程度相對(duì)重要的最大顯溫、最小顯溫、有效累積溫度、熱日的連續(xù)天數(shù)和反映中午