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2025 Volume 47 Issue 9
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ZHANG Zhigao, HU Zhuyu, JIA Mengwei, et al. Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Human Comfort in Henan Province Based on EOF and REOF[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2025, 47(9): 189-199. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2025.09.017
Citation: ZHANG Zhigao, HU Zhuyu, JIA Mengwei, et al. Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Human Comfort in Henan Province Based on EOF and REOF[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2025, 47(9): 189-199. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2025.09.017

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Human Comfort in Henan Province Based on EOF and REOF

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  • Corresponding author: CAI Maotang
  • Received Date: 26/10/2024
    Available Online: 20/09/2025
  • MSC: P463

  • Research on climate comfort evaluation in Henan Province is of great significance for regional climate resource evaluation and tourism resource development. Based on the daily average temperature, wind speed, and relative humidity data from 17 meteorological stations in Henan Province from 1960 to 2020, the spatial and temporal change characteristics of comfort of human body index in Henan Province by means of Mann-Kendall test, EOF and REOF decomposition were analyzed. The results showed that from 1960 to 2020, the average human comfort index and comfortable days in Henan Province was 57.34 and 189.23 days, respectively, showing a fluctuating upward trend with a tendency rate of 0.37/10 a and 2.42 d/10 a, respectively. The frequency of comfortable days was 51.67%, and the frequency of comfortable days in each season reduced as follows: autumn (77.08%), spring (76.19%), summer (50.68%), winter (2.72%). The number of comfortable days underwent an abrupt change in 2001, with an increase of 10.11 days compared to before the change. EOF analysis showed that the spatial distribution of comfortable days in Henan was mainly global in the past 61 years, with a variance contribution rate of 79.09%, which was a decisive mode reflecting the overall consistency of the spatial changes in comfort days throughout the province. The REOF expansion indicated that the number of comfortable days in Henan Province can be divided into five climate zones, with the number of comfortable days in each zone reducing the order of Zone Ⅲ (201.69 days), Zone Ⅴ (188.92 days), Zone Ⅱ (187.99 days), Zone Ⅳ (186.43 days), Zone Ⅰ (185.02 days). The comfort index in Henan Province was mainly influenced by the average temperature.

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Human Comfort in Henan Province Based on EOF and REOF

    Corresponding author: CAI Maotang

Abstract: 

Research on climate comfort evaluation in Henan Province is of great significance for regional climate resource evaluation and tourism resource development. Based on the daily average temperature, wind speed, and relative humidity data from 17 meteorological stations in Henan Province from 1960 to 2020, the spatial and temporal change characteristics of comfort of human body index in Henan Province by means of Mann-Kendall test, EOF and REOF decomposition were analyzed. The results showed that from 1960 to 2020, the average human comfort index and comfortable days in Henan Province was 57.34 and 189.23 days, respectively, showing a fluctuating upward trend with a tendency rate of 0.37/10 a and 2.42 d/10 a, respectively. The frequency of comfortable days was 51.67%, and the frequency of comfortable days in each season reduced as follows: autumn (77.08%), spring (76.19%), summer (50.68%), winter (2.72%). The number of comfortable days underwent an abrupt change in 2001, with an increase of 10.11 days compared to before the change. EOF analysis showed that the spatial distribution of comfortable days in Henan was mainly global in the past 61 years, with a variance contribution rate of 79.09%, which was a decisive mode reflecting the overall consistency of the spatial changes in comfort days throughout the province. The REOF expansion indicated that the number of comfortable days in Henan Province can be divided into five climate zones, with the number of comfortable days in each zone reducing the order of Zone Ⅲ (201.69 days), Zone Ⅴ (188.92 days), Zone Ⅱ (187.99 days), Zone Ⅳ (186.43 days), Zone Ⅰ (185.02 days). The comfort index in Henan Province was mainly influenced by the average temperature.

  • 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

  • 人体舒适度是以人类机体与近地大气之间的热交换为基础,用于表征人类无须借助消寒、避暑装备和设施,能保证正常行为进行的适宜气候条件的生物气象指标[1-2]。气象条件是否舒适不仅影响人类身体健康和交通出行,在人居环境评价和旅游资源开发等方面也具有重要意义[3-6]。国外的舒适度相关研究开展较早,20世纪20年代初,Houghton等[7]以裸衣男子作为受试者,提出不同气温和风速条件下人体的热感指标,率先进行舒适度评价研究。后续研究者陆续提出风效指数[8]、热气候指数[9]、温湿指数[10]、着衣指数[11]等舒适度指数和模型开展相关评价研究。20世纪70年代以来,国内学者在前人研究基础上,通过引进新技术构建人体舒适度指数模型,对全国[12-13]、各省份[14-20]、高原地区[21]及旅游城市[22-25]等开展人体舒适度时空分布规律研究。然而,我国地域辽阔,地形地貌条件复杂,不同地区的人体舒适度存在一定差异,此外,目前相关研究较少涉及人体舒适度的空间区划。

    河南省是中华文明的重要发祥地,具有较为丰富的文物古迹和人文景观,同时河南省横跨我国第二、三级地貌台阶,地处南北气候过渡带,形成了独特优美的自然风光。河南省旅游资源丰富,旅游市场开发潜力巨大,而目前对其气候舒适性评价的研究相对欠缺,一定程度上制约了其旅游资源的开发和旅游业的高质量发展。因此,本研究基于河南省17个气象站点的数据,运用舒适度指数计算分析其时空演变特征,探讨气温、风速和相对湿度等气象因子对人体舒适度的影响,运用经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions,EOF)和旋转经验正交函数(Rotated Empirical Orthogonal Functions,REOF)分解等方法对河南省舒适日数进行空间客观分型,厘清河南省不同分区舒适日数变化特征,以期为河南省各地旅游资源开发和旅游气象服务提供参考。

1.   数据来源及研究方法
  • 河南省(31°23′-36°22′N,110°21′-116°39′E),位于中国中东部,属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候,同时还具有自东向西由平原向丘陵山地气候过渡的特征,气候温和,四季分明,年平均气温在12~16 ℃,年降水量500~1 400 mm,年日照时数1 740~2 310 h。

  • 河南省17个气象站点(图 1)1960-2020年逐日气温、风速和相对湿度数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn)中国地面气候资料日值数据集。根据河南省的气象特点,四季划分为:3-5月为春季,6-8月为夏季,9-11月为秋季,12月至次年2月为冬季。

  • 舒适度计算采用我国气象站台常用的,同时考虑了温度、湿度和风速的人体舒适度指数(Comfort Index of Human Body,CIHB)经验公式,计算公式为[26]

    式中:CCIHB为人体舒适度指数;t为平均温度(℃);hu为相对湿度(%);v为风速(m/s)。

    我国气象局的统一标准将CIHB指数分为9个等级(表 1),其中,1-3级为冷不舒适等级,4-6级人体感觉舒适,为舒适等级,7-9级为热不舒适等级,舒适日数为4-6级的天数。

    此外,采用线性回归分析河南省舒适度指数和气候要素的时间变化特征;采用Mann-Kendall趋势检验法[27]对序列趋势进行显著性检验;采用EOF和REOF分解法[28]对河南省舒适日数空间变化特征进行分析。

2.   结果与分析
  • 1960-2020年河南省年平均气温、风速和相对湿度变化如图 2所示,由图 2a可知,近61 a河南省年平均气温为13.68~16.00 ℃,多年均值为14.84 ℃,2019年最高,1984年最低。从变化趋势来看,近61 a来河南省年平均气温以0.22 ℃/10 a的倾向率呈波动上升趋势。1960-1984年河南省平均气温偏低,平均为14.48 ℃,1985年后,平均气温为15.09 ℃,较之前上升0.61 ℃。1960-2020年河南省年平均风速为2.36 m/s(图 2b),1969年最大为3.17 m/s,2012年最小为1.72 m/s。近61 a河南省平均风速变化总体呈现下降趋势,倾向率为-0.17 (m·s-1)/10 a,其中1969-1989年和2004-2012年河南省年平均风速下降趋势明显,风速逐渐减小,2012年以来平均风速略有回升。

    1960-2020年河南省相对湿度为62.93%~77.91%,平均为68.93%,1964年最高,2012年最低。近61 a河南省相对湿度大致呈波动下降趋势,倾向率为-0.59%/10 a。1960-1966年河南省相对湿度波动较为剧烈,平均为69.04%,1967-2003年相对湿度较大,平均为70.15%,2004年以来相对湿度较小,平均为66.24%。

  • 1960-2020年河南省人体舒适度指数和舒适日数如图 3所示,由图 3a可知,近61 a人体舒适度指数为55.36~59.14,1969年最小,2017年最大,多年均值为57.34。依据人体舒适度分级标准,河南省人体舒适度指数属于第5等级,即大部分人感觉很舒适。近61 a河南省舒适日数多年均值为189.23 d,1967年最少为162.35 d,2008年最多为216.41 d。从变化趋势来看,近61 a河南省人体舒适度指数和舒适日数均呈波动上升趋势,倾向率分别为0.37/10 a、2.42 d/10 a。

  • 河南省人体舒适度指数和舒适日频率四季变化如图 4所示,河南省舒适度指数在夏季最高,为74.83,之后依次为秋季(57.96)、春季(57.32)和冬季(38.93)。从舒适日频率来看,近61 a全省年舒适日数平均为189.23 d,舒适日频率为51.67%,其中秋季和春季的舒适日频率相对较高,分别为77.08%、76.19%,夏季为50.68%,冬季最低,为2.72%。

  • 1960-2020年河南省舒适日数Mann-Kendall突变检验曲线如图 5所示,近61 a来河南省舒适日数正序列UF曲线整体呈波动上升趋势,反序列UB曲线呈下降趋势,二者相交于2001年,突变点在信度线内,确定其突变点为2001年,突变发生前河南省舒适日数平均为185.92 d,突变后为196.03 d,较突变前增加了10.11 d。

  • 1960-2020年河南省舒适日数空间分布情况如图 6所示,河南省舒适日数为181.97~202.22 d,大体呈自西向东依次递减趋势,西部地区三门峡、孟津和西峡等站舒适日数在198.40 d以上,中部地区许昌和驻马店等站为184.92~188.64 d,东部地区永城和商丘等站在184.91 d以下。

  • 河南省舒适度指数与风速、相对湿度及平均气温的相关关系和回归系数如表 2所示。由表 2可知,舒适度指数与平均气温的相关系数为0.962(p<0.01),表现为正相关关系,通过回归系数可以看出,随着温度上升,舒适度指数渐趋升高,平均温度每上升1 ℃,舒适度指数提高1.49。舒适度指数与风速、相对湿度的相关系数分别为-0.562(p<0.01)和-0.598(p<0.01),表现为负相关关系,风速每提高1 m/s,舒适度指数下降1.49,相对湿度每上升1%,舒适度指数下降0.19。综合来看,在3个气象要素中,平均气温与人体舒适度的相关系数最大,说明河南省人体舒适度主要受平均气温的影响。

  • 对河南省17个气象站点近61 a的舒适日数进行EOF分析,前4个特征值及方差贡献率如表 3所示。第1个模态方差贡献率为79.09%,远大于其他模态,第2至第4个模态方差贡献率依次为5.19%、2.90%和2.21%,第4个模态之后的其他模态贡献率相对较小。前4个模态的累积方差贡献率达到了89.39%,因此这4个特征值所对应的特征向量可以很好地解释1960-2020年河南省舒适度日数的分布类型。其EOF特征向量场分布及对应的时间系数如图 7所示。

    第1模态的方差贡献率为79.09%,为决定性模态,可以表征河南省舒适日数空间分布的主要类型。全省第1模态特征向量表现出一致的正值(图 7a),表明近61 a河南省舒适日数的变化趋势具有高度一致性,河南省舒适日数受相似的天气系统和大气环流控制,全省舒适日数一致偏多或偏少。河南省西南部和南部地区南阳、西峡、信阳等站载荷值较大,为0.26~0.29,是舒适度日数变化最敏感区域。结合第1模态时间系数发现(图 7b),其线性系数为1.01,表明近61 a河南省的舒适日数有所上升。近61 a中1967、1985、1989、1996、2004、2008、2014年的时间系数绝对值最大,说明这7年的舒适度空间一致性分布最典型,其中1989、2004、2008、2014年系数为正,舒适日数偏多,1967、1985、1996年为负,舒适日数偏少,从时间系数的年代际变化来看,21世纪00年代、21世纪10年代舒适日数明显偏多,20世纪60、70、90年代舒适日数偏少。

    模态2方差贡献率为5.19%,呈现出河南省舒适日数南部偏少而北部偏多的南—北相反型分布模式,体现了河南省南部舒适日数较少(多)时,北部就较多(少)的分布特征。正值中心位于新乡、安阳和三门峡等站,载荷值为0.33~0.35;负值中心在河南省南部地区信阳、固始和桐柏等站,载荷值为-0.44~-0.22(图 7c)。结合模态2的时间系数发现(图 7d),1967、1995、2019年的时间系数绝对值较大且为正值,为正位相代表年份,其间全省北部舒适日数偏多,南部地区偏少;1991、1992、1994年的时间系数为负值,且绝对值较大,为负位相代表年份,其间全省南部舒适日数偏多,北部地区偏少。此外,河南省舒适度日数还存在着东—西相反型等分布模式(图略)。

  • 河南省舒适日数的EOF分析表明,河南省舒适日数的空间格局既有全区一致的分布特征,也存在南—北相反型、东—西相反型等空间分布类型。为能更精确地描述河南省舒适日数的分布特征,在舒适日数EOF分析的基础上,对其前5个主分量(累计方差贡献率91.41%)进行方差最大正交旋转,根据前5个旋转向量空间模态的高载荷空间分布,将河南省划分为5个气候分区。分区方法采用“最小分类值法”[28],相邻区域无重叠,结果如图 8所示。

    Ⅰ区涵盖郑州、开封、许昌等6个气象站点,主要包括河南省东部地区,载荷向量场高值中心在许昌、开封等站;Ⅱ区涵盖南阳、信阳和驻马店等5个站点,主要包括河南南部地区,载荷向量场高值中心在驻马店、南阳等站;Ⅲ区涵盖三门峡、孟津和西峡3个站点,主要分布在河南省西部地区,载荷向量场高值中心在孟津和西峡等站;Ⅳ区涵盖安阳和新乡2个气象站点,主要分布在河南省北部地区,载荷向量场高值中心在安阳站;Ⅴ区涵盖宝丰1个站点,主要在河南省中部地区,载荷向量场高值中心在宝丰站。分区域计算各区舒适日数发现,Ⅰ-Ⅴ区的平均舒适日数分别为185.02、187.99、201.69、186.43、188.92 d,Ⅲ区最多,Ⅰ区最少。

  • 河南省各分区舒适日数时间变化如图 9所示。近61 a Ⅰ区舒适日数呈波动上升趋势(图 9a),舒适日数整体在20世纪60年代和70年代偏少,以1967年最为明显,舒适日数最少,80年代舒适日数有所增加,90年代减少,21世纪00年代以来舒适日数偏多,以2004、2008、2014年最为明显。

    Ⅱ区舒适日数整体呈增加趋势(图 9b),舒适日数整体在20世纪60年代和70年代偏少,以1967年最为明显,舒适日数最少,20世纪80年代和90年代舒适日数有所增加,21世纪以来舒适日数偏多。

    Ⅲ区舒适日数整体呈增加趋势(图 9c),1967、1981、1984、1991、1994、1996、2012、2018年舒适日数出现明显的低谷,舒适日数较少,1968、1977、1990、1992、2020年出现峰值,舒适日数偏多。

    Ⅳ区舒适日数整体呈增加趋势(图 9d),20世纪60、70、90年代舒适日数偏少,20世纪80年代和21世纪以来舒适日数偏多。1978、1985、1998、2010年舒适日数出现低谷,1976、1988、1996、2004、2014年舒适日数出现峰值,舒适日数偏多。

    Ⅴ区舒适日数呈小幅下降趋势(图 9e),1960-1966年舒适日数相对平稳,1966年后,舒适日数波动较大。1967、1978、1985、1996、2018年Ⅴ区舒适日数出现低谷,其中2018年舒适日数最少,1968、1981、1988、2008、2014年舒适日数出现峰值,其中1968年舒适日数最多。观察Ⅴ区舒适日数时间系数发现,正值年份为26 a,负值年份为35 a,说明近61 a来该区舒适日数整体偏少。

3.   结论与讨论
  • (1) 1960-2020年河南省人体舒适度指数平均为57.34,并以0.37/10 a的倾向率呈波动上升趋势,舒适日数平均为189.23 d,以2.42 d/10 a的倾向率呈波动上升趋势,Mann-Kendall检验表明河南省舒适日数于2001年发生突变,突变后舒适日数较突变前增加10.11 d。全省舒适日频率为51.67%,各季舒适日频率从高到低依次为:秋季(77.08%)、春季(76.19%)、夏季(50.68%)、冬季(2.72%)。

    (2) 1960-2020年河南省平均气温为14.84 ℃,平均风速为2.36 m/s,平均相对湿度为68.93%,近61 a来河南省年平均气温呈波动上升趋势,倾向率为0.22 ℃/10 a,平均风速和相对湿度分别以-0.17 (m·s-1)/10 a和-0.59%/10 a的倾向率呈波动下降趋势。河南省舒适度指数与平均气温呈正相关关系,相关系数达0.962,与风速、相对湿度均呈负相关关系,舒适度指数主要受平均气温的影响。

    (3) EOF分析表明,近61 a河南省舒适日数空间分布主要为全局型,其方差贡献率达79.09%,为决定性模态,显示河南省舒适日数空间变化的一致性,此外还存在着南—北相反型、东—西相反型等空间分布类型。

    (4) 采用REOF方法对河南省舒适日数进行分析,可将河南省分为5个区域,各区舒适日数从多到少依次为:Ⅲ区(201.69 d)、Ⅴ区(188.92 d)、Ⅱ区(187.99 d)、Ⅳ区(186.43 d)、Ⅰ区(185.02 d)。

  • 近61 a河南省人体舒适度指数和舒适日数分别以0.37/10 a、2.42 d/10 a的倾向率呈波动上升趋势,这与全球变暖背景下,我国陕西省[26]、京津冀[30]、东部地区[31]和甘肃省[16]等地区舒适度指数和日数增加趋势一致。相关分析表明,河南省舒适度指数与平均气温相关系数达0.962,近61 a来河南省年平均气温以0.22 ℃/10 a的倾向率呈波动上升趋势,这在一定程度上导致了全省舒适度指数和舒适日数的上升。

    1960-2020年河南省舒适日数于2001年发生了突变,突变后舒适日数增加了10.11 d,这与20世纪80、90年代中国极端气候事件突变集中发生情况一致[32],20世纪80年代中后期以来,全球气候状态发生转变[33],全球显著变暖,伴随区域气候要素的变化,区域舒适度指数和舒适日数发生了不同程度的变化。

    近61 a河南省年舒适日数频率为51.67%,各季舒适日数频率从高到低依次为:秋季(77.08%)、春季(76.19%)、夏季(50.68%)、冬季(2.72%)。这是由于河南位于我国中东部,属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候,随着春季气温回升,人体舒适度也逐渐开始提升;夏季由于受到季风的影响,暖湿气流从海洋吹向陆地,雨水天气增多,叠加高温天气的影响,舒适日数相对减小;秋季受东南季风的影响逐渐减弱,气候相对比较温和,舒适日数逐渐增加;冬季时深受西北风的影响,气温较为寒冷,舒适日数最少。

    基于REOF方法,河南省舒适日数分为5个区域,Ⅲ区舒适日数最多达201.69 d,其他4个区域舒适日数差别不大,为185.02~188.92 d,Ⅲ区主要包括三门峡、焦作大部分地区、洛阳大部分地区和南阳西北部,该区为典型的山地丘陵地区,一方面区域海拔相对较高,使得该区夏季温度相对较低,舒适日数相对较多。另一方面,该区森林覆盖率高,生态环境较好,也在一定程度上有利于气候舒适。

    本研究利用Mann-Kendall检验、EOF和REOF等方法对河南省人体舒适度时空特征进行了分析,未涉及舒适度变化对旅游业和健康等方面的影响,此外,降水和辐射等气候因素同样会影响人体舒适度,这些有待进一步研究。

Figure (9)  Table (3) Reference (33)

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