1961—2020年乌鲁木齐市气候舒适度变化.pdf
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1、研究论文第1 7 卷第5期沙漠与绿洲气象2023年1 0 月Desert and Oasis Meteorology普宗朝,冯志敏,张山清,等.1 9 6 1 2 0 2 0 年乌鲁木齐市气候舒适度变化沙漠与绿洲气象,2 0 2 3,1 7(5):1 59-1 6 6.doi:10.12057/j.issn.1002-0799.2023.05.021开放科学(资源服务)标识码(OSID):1961一2 0 2 0 年乌鲁木齐市气候舒适度变化普宗朝,冯志敏?,张山清3,王命全4,张祖莲”,宋雪菲3(1.乌鲁木齐市气象局,新疆乌鲁木齐8 3 0 0 0 2;2.新疆生态气象和卫星遥感中心,新疆乌鲁
2、木齐8 3 0 0 1 1;3.新疆兴农网信息中心/新疆农业气象台,新疆乌鲁木齐8 3 0 0 0 2;4.新疆教育管理信息中心,新疆乌鲁木齐8 3 0 0 49)摘要:基于综合气候舒适度指数模型以及乌鲁木齐市及其周边9 个气象站1 9 6 1-2 0 2 0 年气候资料,采用统计学方法和ArcGIS的空间插值技术对近6 0 年乌鲁木齐市气候舒适度时空变化进行分析。结果表明:(1)气候舒适度指数的年内变化,平原地带呈双峰双谷的 M型,山区为单峰单谷的“n”型。(2)受气温、相对湿度升高,风速、日照时数下降的共同影响,近6 0 年平原地带春、秋、冬季气候舒适度指数显著(P-0.05)增大,夏季显
3、著减小;山区夏、秋季气候舒适度指数显著增大,冬、春季变化不明显。(3)1 9 9 1 2 0 2 0 年较前3 0 a(1 9 6 1 1 9 9 0 年),春季和秋季气候较舒适区海拔上限升高了1 0 0 1 50 m,面积扩大9 50 km,较不舒适区和不舒适区向高海拔抬升了50 100m,面积分别减小6 9 4 8 2 8 km和1 3 1 2 3 6 km;夏季气候舒适区向高海拔升了约1 0 0 m,面积减小51 4km,较舒适区海拔上限升高了1 0 0 1 50 m,面积扩大约7 1 8 km较不舒适区和不舒适区向高海拔抬升了50 1 0 0 m,面积略有减小;冬季全市属于气候不舒适区
4、的状况未发生改变。关键词:气候舒适度;气温;相对湿度;风速;日照时数;气候变化;乌鲁木齐市中图分类号:P463.3文献标识码:A文章编号:1 0 0 2-0 7 9 9(2 0 2 3)0 5-0 1 59-0 8气候舒适度是评价人类在不同气候条件下舒适感的一项生物气象指标,其变化对公众健康2、能源消耗3、城市规划、旅游休闲5-6 等社会经济诸多领域有重要影响。因此,近年来有关我国气候舒适度时空变化的研究引起了越来越多学者的关注。李山等1 7 和曹云等8 对我国内陆部分地区年气候舒适期变化的研究表明,其空间分布总体呈现“东南长、西北短”的格局,过去几十年气候舒适期呈明显的增长趋势,但变化幅度存
5、在区域性差异。许善洋等9 和于昕冉等研究指出,甘肃省气候舒适度的空间分布既有由东南向西北递减的纬度地带性,也存在随海拔高收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 1:修回日期:2 0 2 2-1 2-1 5基金项目:新疆气象科技面上项目(MS201916);新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目(2 0 2 1 D01A171)作者简介:普宗朝(1 9 6 5一),男,正高级工程师,主要从事气候变化与农业气象研究。E-通信作者:张山清(1 9 6 6),女,正高级工程师,主要从事农业气候资源和农业气象灾害风险评估研究。E-mail:z h a n g s h a n q i n g-6 6 1 6
6、3.c o m度的升高而降低的垂直地带性特点,1 9 552 0 1 5年甘肃省气候舒适度总体趋于改善,其中,春、秋季气候舒适度指数显著增大,冬季变化不明显,而夏季则呈减小趋势。马丽君等使用综合气候舒适度指数模型对1 9 58 2 0 0 7 年中国东部城市气候舒适度时空变化研究发现,高纬度城市气候舒适度指数总体呈增大趋势,而低纬度城市则呈减小趋势,并且随着气候的变暖,气候舒适度减小的城市趋于增多。从上述的研究可以看出,因地理环境和气候背景不同,各地气候舒适度及其变化具有明显的区域和季节性差异。乌鲁木齐市是新疆维吾尔自治区的首府,全疆政治、经济、文化、科技和交通中心,也是“一带一路”丝绸之路经
7、济带的核心区,气候舒适度对当地社会、经济的发展有重要影响2-1 3 。由于地域广阔,地形地貌复杂,气候类型多样,乌鲁木齐市气候舒适度具有明显的区域性差异1 1 2-1 3 。另外,在全球变暖背景下,近50 多年乌鲁木齐市气候呈明显的“暖湿化”趋势4-1 切,这也必将对气候舒适度产生影响。马丽君159研究论文等1 2、李东等3 使用乌鲁木齐国家基本气象站单站历史气候资料就1 9 6 2 一2 0 1 1 年气候舒适度的变化研究表明,受气温升高、降水增多、风速减小的影响,气候舒适度总体趋于改善。但由于选用的站点单一、资料序列较短,因此,其研究结果难以体现全市不同区域气候舒适度的变化2-1 3。因此
8、,本文拟使用乌鲁木齐市及其周边9 个国家气象观测站1 9 6 1 一2 0 2 0年历史气候数据,对乌鲁木齐市近6 0 年气候舒适度时空变化特点及其成因进行研究分析,以期为适应气候变化,科学制定乌鲁木齐市城市发展规划,客观评价城市人居环境提供气候学依据。1研究区概况乌鲁木齐市地处中国西北内陆,亚欧大陆腹地,位于新疆中天山北麓、准噶尔盆地南缘,地理坐标86488858E,42 45 450 0 N,总面积为1.42 1 6 x104km,地势总体呈南高北低、东高西低的特点(图1)。以海拔高度1 50 0 m为界,乌鲁木齐市大致可分为平原和山区两大地貌单元,北部平原属暖温带半干旱区,中部山前倾斜平
9、原和乌拉泊至达坂城山间峡谷地带属中温带半干旱、干旱区,海拔1 50 0 1 8 0 0 m的低山带为中温带半干旱、半湿润区,1 8 0 0 2 50 0 m的中山带为寒温带半湿润区,25003200m的亚高山带为亚寒带半湿润区,海拔3200m以上高山带为寒带半湿润区1 7-1 9。2资料与方法2.1资资料来源乌鲁木齐市气象站点稀疏且分布不均,资料序列较长的只有米东、乌鲁木齐、达坂城、小渠子和大西沟5站。为提高气候舒适度指数空间插值模拟的精度,本研究将隶属于昌吉回族自治州但紧邻乌鲁木齐市的蔡家湖、昌吉、阜康和天池4个气象站也列人舒适度指数空间插值模拟的建模站点序列1 4-1 7。研究区域和气象站
10、点分布见图1,各站气候资料以及乌鲁木齐市1:50 0 0 0 地理信息数据由新疆气象信息中心提供。2.2方法2.2.1气候舒适度指数的计算采用综合气候舒适度指数模型计算各站1961一2 0 2 0 年逐月气候舒适度指数叫-1 3 1:C=0.6XmHr+0.3XwE+0.1XicL式中:C为气候舒适度指数,XmXw和Xia分别为温湿指数(T)风效指数(W)和着衣指数(la)的赋160沙漠与绿洲气象Desertand Oasis Meteorology45N海拔高度/m40350050010001000150015002000200025002500300030003500440N3500544
11、543N0153060km87E图1 乌鲁木齐市及其周边气象站点分布值,0.6.0.3、0.1 为各分指数值的权重系数。温湿指数计算式为:TH=(1.8t+32)-0.55(1-f)(1.8t-26).风效指数计算式为:Wm=-(10V+10.45-v)(33-t)+8.55s着衣指数计算式为:33-1H+aRcosIaL=70.155H(0.6 2+1 9.0 V)H式(2)(4)中:Tm、W 和la分别为温湿指数、风效指数和着衣指数:t为平均气温();f为平均相对湿度(%);u为平均风速(ms-);s 为日照时数(h);为太阳高度角()=90-+8,为地理纬度(),8 为太阳赤纬()R为太
12、阳常数,R=1385Wm;H 代表人体代谢率的7 5%,取轻微活动量下的代谢率(116 Wm),这时 H=87 Wm。春(3 5月)、夏(6 8 月)秋(9 1 1 月)冬(1 2 月一次年2 月)季气候舒适度指数取季内各月气候舒适度指数的算术平均值。舒适度指数C的取值与气候舒适度的对应关系为:7 C9为舒适,5C7为较舒适,3 C5为较不舒适,1 C3为不舒适。2.2.2气候舒适度指数变化分析使用线性倾向率1 2 0 1 研究1 9 6 1 2 0 2 0 年气候舒适度指数的变化趋势。另外,将1 9 6 1 一2 0 2 0 年划分为1 9 6 1 1 9 9 0 年(简称前3 0 a)以及
13、1 9 9 1 2 0 2 0年(简称“近3 0 a)两个标准期2 1,对比分析2 个时期气候舒适度指数的变化。2.2.3气候舒适度指数与气候要素的相关性分析使用相关系数法2 0 分析1 9 6 1 一2 0 2 0 年春、夏、(1)秋、冬季气候舒适度指数与同期平均气温、相对湿度平均风速、日照时数的相关关系,以信度P=0.05第1 7 卷第5期2023年1 0 月N卓康米东天池小果子o达坂城口市界一区(县)界气象站88E89E(2)(3)(4)普宗朝等:1 9 6 1 一2 0 2 0 年乌鲁木齐市气候舒适度变化作为相关显著性判别标准。2.2.4气候舒适度指数空间插值模拟采用宏观地理因子的三维
14、二次趋势面与反距离加权残差订正相结合的混合插值法,对气候舒适度指数进行1 0 0 mx100m栅格点的空间插值模拟1 4-1 7 。3结果分析3.1气候舒适度指数的年内变化就不同区域气候舒适度指数的年内变化来看(图2),平原地带(米东、乌鲁木齐、达坂城站,下同)呈双峰双谷的“M型,即1 一5月指数值持续上升,57月转为下降,7 一9 月再次回升,9 1 2 月又快速下降;山区(小渠子、大西沟站,下同)则表现为单峰单谷的“n”型,即1 一7 月舒适度指数持续上升,7月达到峰值后至1 2 月又持续下降。平原地带春、秋、冬季各站气候舒适度指数相差不大,但夏季指数值随海拔高度的升高而增大;山区中山带(
15、小渠子)全年气候舒适度指数均大于高山带(大西沟),其中,夏半年(4一9 月)偏高尤为明显。10一米尔-小柒子-.-人西沟8640123456789101112月图2乌鲁木齐市不同区域气候舒适度指数年内变化8.0a一平原7.0线性(平原)6.05.04.03.02.0196119661971197619811986199119962001200620112016年6.56.05.55.04.54.03.53.02.5FLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL196119661971197619811986199119962001200620112016年图3 1196
16、1一2 0 2 0 年乌鲁木齐市不同区域春(a)夏(b)、秋(e)、冬(d)季气候舒适度指数变化3.2近6 0 年气候舒适度指数变化1961一2 0 2 0 年乌鲁木齐市气候舒适度指数的变化具有明显的区域性和季节性差异。春季平原地带以0.0 7/1 0 a的倾向率显著(P=0.05,下同)增大,山区以0.0 1/1 0 a的倾向率不显著的略增;夏季平原地带以-0.1 6/1 0 a的倾向率显著减小,山区则以0.10/10a的倾向率显著增大;秋季平原和山区分别以0.0 5/1 0 a、0.0 6/1 0 a 的倾向率显著增大;冬季平原地带以0.0 4/1 0 a的倾向率显著增大,但山区无明显变化
17、趋势(图3)。1 9 9 1 2 0 2 0 年较1 9 6 1 1 9 9 0 年平原地带春、秋、冬季气候舒适度指数分别增大了0.24、0.1 8 和0.1 3,夏季减小了0.50;山区春、夏、秋季分别增大了0.0 8、0.3 3 和0.1 9,冬季基本无变化。3.3气候舒适度指数变化成因3.3.1春季1961一2 0 2 0 年春季乌鲁木齐市平原和山区气候舒适度指数与同期平均气温、日照时数均呈正相关(表1)。近6 0 年平原和山区春季平均气温分别以0.44和0.2 8/1 0 a的倾向率显著升高(表2),这对一乌鲁木齐一一达坂城气候舒适度的改善具有重要意义;平原地带春季日照时数以0.0 4
18、h/10a的倾向率增多,对气候舒适度的改善也有积极作用,但山区日照时数以-0.0 4h/10a的倾向率减少,对气候舒适度有一定负面影响。春季平原和山区气候舒适度指数与同期相对湿度和平均风速均呈负相关,这表明空气湿度增大或多风将使人体的“冷”不舒适感增强2 4,近6 0 年平原地带春季相对湿度和平均风速分别以-0.8 0%/1 0 a和-0.2 8 m?s-/10a的倾向率显著减小,对气候舒适8.0rb一8 一山区线性(山区)平原=0.0 0 7 X+5.462R2=0.088y山区=0.0 0 1 x+3.308R=0.017.平原=0.0 0 5x+5.4一平原一山区线性(平原)一线性(山区
19、)j山区=0.0 0 6 x+3.159R2=0.236平原7.5线性(平原)7.0y平原=-0.0 1 6.x+7.116R2=0.5336.56.05.55.0196119661971197619811986199119962001200620112016年2.5d一平原山区2.3线性(平原)线性(山区)2.1R=0.1221.91.71.5L196119661971197619811986199119962001200620112016年一日一山区-线性(山区)y山区=0.0 1 x+5.750R=0.319y平原=0.0 0 4x+1.8630.325J山区=0.0 0 0 x+1.8
20、87R?=0.004161研究论文度的改善有利;但山区相对湿度以0.6 9%/1 0 a的倾向率显著增大,对气候舒适度有一定负面影响。近60年乌鲁木齐市春季气候变化对舒适度的影响总体利大于弊,其中平原地带的利好作用更为明显(图3a)。3.3.2夏季19612020年夏季平原地带气候舒适度指数与平均气温呈显著负相关,山区则呈显著正相关(表1)。近6 0 年来平原和山区夏季平均气温分别以0.28和0.2 6/1 0 a的倾向率显著升高(表2),这对夏季炎热的平原地带气候舒适度将产生较明显的负面影响,而对气候冷?的山区则具有积极作用。平原和山区夏季气候舒适度指数与平均相对湿度的相关性均不显著,因此,
21、尽管近6 0 年两区域平均相对湿度均不同程度地增大,但对气候舒适度的影响不大。平原地带夏季气候舒适度指数与平均风速呈显著正相关,而山区呈显著负相关,近6 0 年两区域夏季平均风速分别以-0.3 1 和-0.0 6 ms-/10a的倾向率显著减小,这对平原地带的气候舒适度将产生负面影响,而对山区则具有积极作用。平原和山区夏季气候舒适度指数与日照时数的相关关系均不显著,因此,尽管近6 0 年两区域夏季日照时数呈现不同程度的减少趋势,但对气候舒适度的影响不大。近6 0 年乌鲁木齐市夏季气候变化对平原地带气候舒适度总体大于利,而山区则利大于弊(图3 b)。3.3.3秋季19612020年秋季乌鲁木齐市
22、平原和山区气表1 不同区域四季气候舒适度指数与气候要素的相关关系平原山区气候要素春季平均气温/0.698 4相对湿度/%0.4882平均风速/ms-l)-0.427 6日照时数/h0.3712注:加粗字体表示通过P=0.05显著性检验,下同。表2 1 9 6 1 2 0 2 0 年乌鲁木齐市不同区域四季气候要素变化倾向率平原山区气候要素倾向率春季平均气温/(/1 0 a)0.44相对湿度/(%/1 0 a)-0.80平均风速/(m*s-/10a)0.28日照时数/(h/10a)0.04162沙漠与绿洲气象Desert and Oasis Meteorology候舒适度指数与同期平均气温及日照时
23、数均呈正相关(表1)。近6 0 年来两区域秋季平均气温分别以0.40和0.2 9/1 0 a的倾向率显著升高(表2),这对气候舒适度的改善具有积极作用,但日照时数分别以-0.0 8 和-0.0 4h/10a的倾向率显著减少对气候舒适度有一定负面影响。平原和山区秋季气候舒适度指数与同期相对湿度和平均风速均呈负相关,平原地带秋季相对湿度和平均风速分别以-0.2 2%/1 0 a和-0.2 3 m?s-/10a的倾向率减小,对气候舒适度有积极影响,但山区相对湿度以0.8 8%/1 0 a的倾向率显著增大,对气候舒适度有一定不利影响。近6 0 年乌鲁木齐市秋季气候变化对气候舒适度总体利大于(图3 c)
24、。3.3.4冬季19612020年冬季乌鲁木齐市平原和山区气候舒适度指数与同期平均气温均呈显著正相关(表1)。两区域冬季平均气温分别以0.43 和0.1 8/1 0 a倾向率升高,对气候舒适度的改善具有积极意义。平原地带冬季气候舒适度指数与相对湿度相关不显著,而山区则呈显著负相关,因此,近6 0 年平原相对湿度不显著的略增对气候舒适度的影响不大,而山区相对湿度以1.2%/1 0 a的倾向率显著增大对气候舒适度有不利影响(表2)。平原和山区冬季气候舒适度指数与同期平均风速均呈显著负相关,近6 0 年平原地带冬季平均风速以-0.1 6 m?s-/10a的倾向率显著减小,对气候舒适度较有利,山区平均
25、风速变化不显著,对气候舒适度的影响不大。山区冬季气候舒夏季秋季-0.94170.81720.1728-0.36170.692.4-0.3212-0.05490.3529夏季秋季0.280.400.030.22-0.31-0.23-0.02-0.08第1 7 卷第5期2023年1 0 月冬季春季0.752.50.751 10.1448-0.2058-0.5450-0.36790.15460.2208冬季春季0.430.280.320.69-0.16-0.05-0.23-0.04夏季0.842.7-0.04010.5075-0.1496夏季0.260.71-0.06-0.14秋季0.76450.0
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