Spatial pattern and temporal variation in thermal comfort in China from 1979 to 2014
KONGQinqin1,2,, ZHENGJingyun1,, WANGXinge1,2 1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation,Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China 通讯作者:郑景云,E-mail:zhengjy@igsnrr.ac.cn 收稿日期:2015-07-20 修回日期:2016-03-23 网络出版日期:2016-06-20 版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部 基金资助:科技基础性工作专项项目(2011FY120300)中国科学院战略性先导科技专项项目(XDA05080100)中国科学院特色研究所培育建设服务项目(TSYJS04) 作者简介: -->作者简介:孔钦钦,男,河南济源人,博士生,主要从事气候变化及其影响方向研究。E-mail:kongqq.12b@igsnrr.ac.cn
关键词:气候舒适度;空间格局;时空变化;ERA-Interim;通用热气候指数;中国 Abstract Based on ERA-Interim reanalysis data and Universal Thermal Climate Index (UTCI),the spatial pattern and temporal variation in thermal comfort in China from 1979-2014 was investigated. The results show that annual UTCI decreases with increasing latitude for most of China and exhibits a circular distribution on the Qinghai-Tibetan Plateau. “No thermal stress” covers maximum area in summer,and minimum area in winter. From 1979 to 2014,the frequency of “no thermal stress” was highest over southern Yungui Plateau (>70%)and lowest for the Qinghai-Tibet Plateau(<10%). Most regions to the north of the Yangtze River have seen extremely strong cold stress,especially over eastern Inner Mongolia,northern Northeast China(14%~32%),and the Qinghai-Tibet Plateau(16%~40%). Extremely strong heat stress has occurred over central and eastern China and the basin area in Xinjiang province,among which the eastern Tarim Basin has the highest frequency of more than 4%. From 1979 to 2014,annual UTCI show positive trends in northeastern China and negative trends in southwestern China,with the largest increase and decrease in the Yangtze River Delta((0.6~0.8)°C/10y)and western Qinghai-Tibet Plateau((-0.8~ -0.6)°C/10y)respectively. Summer UTCI has consistently increased across China,whereas the contrary is the case for winter UTCI. “No thermal stress” has become more frequent in northern China,and less frequent in southern China,with the largest frequency increase and decrease occurring over regions near the border between the eastern Qinghai-Tibet Plateau and Loess Plateau((0.8~1.5)percent/10y)and southern Yungui Plateau((1.5~2.8)percent/10y). Extremely strong cold and heat stress have become increasingly frequent across the majority China.
图2显示了中国年平均UTCI的空间分布。除青藏高原地区外,UTCI值基本呈纬向分布,自南向北逐渐减小。其中,燕山-太行山-黄土高原南缘-青藏高原东缘一线东南地区为“无热应力”;东北南部、内蒙古西部、黄土高原以及新疆盆地地区为“轻微冷应力”;东北和内蒙古北部,以及新疆山地区域为“较强冷应力”。受地形影响,青藏高原UTCI值主要随地势变化,呈现出“环岛状”分布特征。其中青藏高原中部高海拔山地、高原地区为“强冷应力”;环绕这些地区的外围亚高海拔区域中,“较强冷应力”占主导地位;藏东南谷地小片区域则为“无热应力”。 图3为季节平均UTCI的空间分布。春季、秋季UTCI的空间分布和年平均十分相似。夏季,太行山-巫山-雪峰山一线东南及四川盆地地区为“较强热应力”;青藏高原大部为“轻微冷应力”或“较强冷应力”;剩余地区为“无热应力”。冬季UTCI具有明显的纬向型分布规律;“无热应力”局限于华南地区;其余地区受冷应力控制,其中内蒙古东部、东北北部和藏北高原地区为“很强冷应力”。可以看出,仅云贵高原南部和藏东南谷地小片区域一年四季均表现为“无热应力”。 表2总结了全年及四季不同热应力等级的覆盖面积;其中,夏季“无热应力”覆盖面积最大,春季和秋季次之,冬季最小。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图21979-2014年中国年平均UTCI的空间分布 -->Figure 2Spatial distribution of annual UTCI in China from 1979 to 2014 -->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图31979-2014年中国季节平均UTCI的空间分布 -->Figure 3Spatial distribution of seasonal UTCI in China from 1979 to 2014 -->
Table 2 Table 2Distribution of thermal stress levels by total area and percentage of area from 1979 to 2014 (万km2,%)
图4显示了1979-2014年中国“无热应力”、“冷应力”和“热应力”频率的空间分布。在中国中、东部地区,“无热应力”频率由北向南增加。西部,新疆地区除阿尔泰山、天山地区外,“无热应力”频率介于30%~40%;青藏高原由于海拔较高,除高原东部和东南部部分区域外,“无热应力”频率均小于10%。图4a显示,中国“无热应力”频率最大值位于云贵高原地区,尤其在高原南部超过了70%。这是由云贵高原特殊的地理地形和气候特征决定的:夏季,该地区主要受西南季风影响,降水丰富,雨日多,加之海拔较高(1000~2000m),使得夏无酷暑;冬季,北方冷空气被青藏高原阻挡,同时受西南暖流影响,故冬无严寒。此外,在中国地形梯度较大的地区,如昆仑山-祁连山-横断山脉一线附近,呈现出“无热应力”频率的快速变化。不同“无热应力”频率范围的地理分布及覆盖面积如表3所示。 Table 3 表3 表3不同无热应力频率范围的地理分布、覆盖面积和百分比 Table 3Distribution,area and percentage of area for different ranges of the frequency of no thermal stress
“无热应力”频率/%
地理分布
面积/万km2
百分比/%
< 10
青藏高原大部
160.64
16.30
10~30
青藏高原东部、新疆山地区域、内蒙古东部以及东北北部地区
264.15
26.81
30~40
新疆盆地区域、内蒙古西部、黄土高原、华北北部以及东北南部地区
253.30
25.71
40~60
中国中、东部黄河以南地区
233.07
23.65
60~70
云贵高原北部地区
42.21
4.28
70~80
云贵高原南部地区
31.97
3.24
新窗口打开 如图4b所示,中国中、东部地区“冷应力”频率由南向北递增;其中华南地区小于20%,江南地区介于20%~30%,江淮地区为30%~40%,华北地区为40%~60%,内蒙古及东北地区达到60%~80%。中国西部,青藏高原除东部部分地区外,“冷应力”频率超过90%;新疆盆地地区为40%~60%,天山、阿尔泰山地区为60%~90%。图4c显示,“热应力”频率的空间分布以燕山-太行山-雪峰山一线为界,该线西北大部地区不超过10%;新疆盆地区域增加至10%~20%;四川盆地则介于20%~30%。在该线东南区域,“热应力”频率普遍大于10%,且由北向南递增;其中华北地区为10%~20%,江淮地区为20%~30%,江南地区介于20%~40%,华南地区达到了40%以上。 极端冷、热应力会对人们的生命财产安全造成重大威胁。图5显示了1979-2014年中国极端冷、热应力频率的空间分布。在中国长江以北的绝大部分地区均有极端冷应力出现。图5a显示,除青藏高原外,“极端冷应力”频率由南向北递增;其中,江淮地区、华北地区以及新疆南部地区小于2%,内蒙古地区西部、东北地区南部和新疆北部地区介于2%~14%,内蒙古地区东部和东北北部地区达到了14%~32%。青藏高原“极端冷应力”频率的分布主要受地形因素影响,在藏北高原和高海拔山地区域达到30%~40%,外围亚高海拔区域为16%~30%,藏东南地区则降至2%以下。图5b显示,极端热应力在中国中东部地区及新疆盆地区域均有出现;其中江南地区、四川盆地及新疆盆地区域为“极端热应力”频率的大值区,普遍在1.8%以上,尤其是塔里木盆地东部地区,超过了4%。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图41979-2014年中国无热应力、冷应力和热应力频率的空间分布 -->Figure 4Spatial distribution of the frequencies of no thermal stress,cold stress and heat stress in China from 1979 to 2014 -->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图51979-2014年中国极端冷、热应力频率的空间分布 -->Figure 5Spatial distribution of the frequencies of extremely strong cold and heat stress in China from 1979 to 2014 -->
3.3 UTCI变化趋势
如图6所示,1979-2014年中国年平均UTCI的变化趋势具有明显的东北-西南分异特征;东北部为上升趋势,西南部为下降趋势。其中上升和下降幅度最大的地区分别位于长江三角洲((0.6~0.8)°C/10a)和青藏高原西部地区((-0.8~-0.6)°C/10a)。从季节尺度看(图7),春季UTCI在中国中、东部黄河以南地区呈显著上升趋势(p<0.05),其中在长江三角洲地区升幅达(0.8~1.1)°C/10a。夏季UTCI的上升趋势最为广泛,在中国北部地区尤其显著,达到了(0.4~1.1)°C/10a。秋季UTCI的趋势表现为东西分异格局,东部以上升趋势为主,西部以下降趋势为主;其中在东北、内蒙古东部、山东半岛,以及长江下游地区,上升幅度超过0.04°C/10a,在青藏高原西部地区UTCI以(-1.0~-0.4)°C/10a的速率显著降低。冬季,UTCI下降趋势在全国范围占主导地位,特别在青藏高原西部和中国西北部分地区,降幅达到了(-1.3~-0.4)°C/10a。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图61979-2014年中国年平均UTCI的变化趋势 -->Figure 6Trends in annual UTCI in China from 1979 to 2014 -->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图71979-2014年中国季节平均UTCI的变化趋势 -->Figure 7Trends in seasonal UTCI in China from 1979 to 2014 -->
3.4 UTCI频率变化趋势
相似的UTCI变化趋势在不同地区可能会产生不同的影响。例如UTCI的上升趋势在高纬度、高海拔地区会减缓冷应力,提升气候舒适程度;在低纬度、低海拔地区则会加剧热应力,降低气候舒适程度。因此,为更全面地刻画气候舒适度时空变化特征,本文进一步分析了“无热应力”、“冷应力”和“热应力”频率的变化趋势。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图81979-2014年中国“无热应力”、“冷应力”、“热应力”频率的变化趋势 -->Figure 8Trends in the frequencies of no thermal stress,cold stress,and heat stress in China from 1979 to 2014 -->
如图8所示,“无热应力”频率的变化趋势具有明显的南北分异特征。北部除新疆部分地区外呈增加趋势,最大增幅位于青藏高原东部与黄土高原交界附近地区,每10年增加0.8~1.5个百分点。南部以下降趋势为主,且在天山、塔里木盆地中部、青藏高原南部边缘、四川盆地、云贵高原南部,以及华南大部地区达到了0.05显著性水平;其中,云贵高原南部和藏东南谷地的降幅最为明显,每10年下降1.5~2.8个百分点。“冷应力”频率的变化趋势表现为清晰的东北-西南分异格局。东北部普遍呈显著下降趋势,且多数地区降幅超过0.8个百分点/10a。西南部为上升趋势,最大升幅位于天山、昆仑山脉西段、青藏高原南部边缘以及云贵高原南部地区,每10年上升0.8~2.0个百分点。“热应力”频率在中国除了青藏高原以外大多数地区呈一致上升趋势;其中在中国东部黄河以南地区升幅超过0.6个百分点/10a,在长江下游地区更达到1.0~1.7个百分点/10a。 图9显示了极端冷、热应力的变化趋势。可以看出,虽然中国北方地区整体变暖,但极端冷应力在1979-2014年间仍越发频繁;尤其在青藏高原西部地区,“极端冷应力”频率平均每10年增加1.0~2.5个百分点。此外,“极端热应力”频率在中国绝大部分地区也呈增加趋势,增幅的大值区包括太行山-巫山-雪峰山一线东南、四川盆地、塔里木盆地西部,以及吐鲁番盆地等地区;而这些地区也是中国极端热应力的高风险区,高温热浪频发。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图91979-2014年中国极端冷、热应力频率的变化趋势 -->Figure 9Trends in the frequencies of extremely strong cold and heat stress in China from 1979 to 2014 -->
4 结论
本文利用ERA-Interim中期再分析资料和UTCI,分析了1979-2014年中国气候舒适度的空间格局及时空变化特征,主要结论如下: 中国除青藏高原地区外,年平均UTCI呈纬向分布,由北向南逐渐增加;青藏高原地区受地形影响呈“环岛状”分布。夏季“无热应力”覆盖面积最大,春、秋季次之,冬季最小。“无热应力”频率在中国中、东部地区由北向南增加;最大值(>70%)位于云贵高原南部,最小值(<10%)位于青藏高原地区。“冷应力”频率的大值区包括内蒙古和东北地区(60%~80%),以及青藏高原大部(>90%);“热应力”频率的大值区包括江淮地区(20%~40%)和华南地区(>40%)。极端冷应力在中国长江以北绝大部分地区均有出现,其中内蒙古地区东部和东北北部(14%~32%),以及青藏高原大部(16%~40%)最为频繁;中国中东部和新疆盆地区域均有极端热应力出现,其中江南地区、四川盆地及新疆盆地区域相对频繁,在1.8%以上,塔里木盆地东部则超过了4%。 1979-2014年,年平均UTCI在中国东北部为上升趋势,西南部为下降趋势;上升和下降幅度最大的地区分别位于长江三角洲((0.6~0.8)°C/10a)和青藏高原西部((-0.8~-0.6)°C/10a)。夏季UTCI在全国范围一致上升,冬季则相反。“无热应力”频率在中国北部以上升趋势为主,南部以下降趋势为主;上升和下降幅度最大的地区分别位于青藏高原东部与黄土高原交界附近((0.8~1.5)个百分点/10a)和云贵高原南部((1.5~2.8)个百分点/10a)。虽然中国北方整体增暖,但极端冷应力仍越发频繁;极端热应力频率在中国绝大部分地区也呈增加趋势,尤其在太行山-巫山-雪峰山一线东南、四川盆地、塔里木盆地西部,以及吐鲁番盆地等地区。 The authors have declared that no competing interests exist.
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