北京市人居环境气候适宜度分析

>32 <-5 >2.5 >2.8 <2000或>2800 ≦65 >18
年晴天日数
年大风日数/天
3.4 模糊矩阵综合评判模型的初步建立 由以上说明可以看出评价城市气候适宜度的指标有很多， 故需要采用二级模 糊综合评判的方法，即首先对各种指标进行低层次、小系统得一级综合评判，然 后再就一级评判的结果进行高层次、大系统的二级综合评判，从而得出北京市气 候适宜度的详细结果。 3.4.1 划分因子集 将整个气候因素X划分为气温( X 1 )、相对湿度( X 2 )、风速( X 3 )、日照时数 ( X 4 )、特殊天气( X 5 )5个子集，即 X X 1 , X 2 , X 3 , X 4 , X 5 ，再根据表1给出的每 个 子 系 统 的 因 子 将 5 个 子 集 分 别 划 分 为 X 1 x1 , x2 , x3 , x4 ， X 2 x5 , x6 ，
3.1 模型综述 北京市人居环境是一个人口高度集中的复合生态系统， 影响其人居环境的气 候因素错综复杂，且每个因素之间又互相联系、互相制约，以不同的组合对人居 环境产生影响。 所以，研究北京市的人居环境气候适宜度光靠定性分析不足以准 确、 完整的反映实际情况。 鉴于气候适宜度是一个模糊概念以及多层次模糊矩阵 综合评判方法运用的成熟性和可靠性， 我们可以考虑用该方法对城市气候适宜度 进行评价。基本步骤是：确定各因素的评价等级标准和权重；运用模糊集合变换 原理，利用R统计软件建立隶属函数，通过各因素的权重来计算隶属度；用隶属 度来描述因子的模糊界限， 构造模糊评价矩阵；最终通过合成运算确定北京市气 候适宜度所属等级。 3.2 确立评价因子层次结构 前文提到过，影响城市人居环境的气候因子错综复杂，因此，选择的评价因 子必须能够全面反映研究的结果，使之尽可能的涵盖每个方面。本文根据人们日 常活动的适宜度与气候因素的密切程度，选用了11个气候因素，并根照气候因素 影响人居活动的不同方面，将其划分成相对湿度、气温、风速、日照时数、特殊 天气5个子系统，建立起气候适居性评价因子的层次结构（图1）。
北京市人居环境气候适宜度分析
云南大学 曾津、董蓉蓉、潘碧玉
摘要
改革开放以来， 北京作为中国的首都，其社会和经济高速发展的成绩是大家 有目共睹的， 但是这种经济的高速发展是不是以牺牲环境为代价换来的呢？这是 我们非常关心的一个问题。本文基于“中国知网”上获取的北京市 1996—2011 年的气象数据，考虑影响人居环境气候适宜度的相对湿度、气温、风速、日照时 数、 特殊天气这 5 个主要的气候因素指标， 并综合考虑了国内外相关研究方法的 优劣，本文提出了模糊矩阵综合评价模型来对北京人居环境进行评价。另外，本 文还采用指数系统综合评价模型来对北京市人居环境气候适宜度进行分析， 力求 从不同角度来验证研究结果的正确性。通过两个模型的实证分析表明：北京市属 气候适宜区。 关键词： 北京市人居环境、 气候适宜度、 模糊矩阵综合评判模型、 气候因素、 隶属函数、温湿指数、风寒指数、着衣指数。 1 引言 1.1 问题提出 人居环境是由多种尺度、多种形式的人工环境和自然环境相结合构成的总 体。它是自然要素、人文要素和空间要素的统一体 2 。人居环境的好坏直接影响 人们心情的好坏、 幸福感的强弱以及工作效率的高低等。研究人居环境的目的是 为了更好地创造性地开发、 利用、培植和美化不同人居环境所要求的自然景观生 态环境,使人居住的人工环境与优美宁静的自然环境相匹配,变得更适宜居住， 提 高人们的幸福指数，并一定程度上降低犯罪率。 作为我国的首都以及政治，文化，教育中心，北京历来都是我国地方城市的 导向标。而且随着中国综合国力的增强，北京的影响力还在不断扩大，2008年第 29届北京奥运会的成功举办意味着北京已经成为中国的国家名片了， 代表着中国 的国家形象。据北京市统计局公布的数据显示，北京市人均GDP已达到富裕国家 水平。 经济水平不断提高，那么人居环境怎么样呢？良好的人居环境是保证人类 生存与发展的重要因素。尤其是近几年，PM2.5的提出以及沙尘暴的来袭将北京 市的环境推到了风口浪尖。因此，在这样的时代背景下，对北京市人居环境气候 适宜度的分析是有必要的。 本文以北京市近几十年来的气象数据为基础，对北京 市的气候适宜度进行研究分析，并尽可能的为其在人居环境的规划，设计，建设 和管理方面提供依据和建议。 1.2 研究现状 改革开放以来，随着中国经济的高速发展，人民生活水平不断提高，人们对 生活环境质量的要求越来越高， 国内外的研究趋势表明，气候舒适性研究日益受 到重视。自W.H.Terjung提出了气候舒适性指数的概念以后 10 ，各国学者相继提出
了风寒指数、着衣指数及舒适度测评模型等 9,11 。以这些指标及模型为基础，国 内许多学者对我国主要旅游景点及地区的旅游气候资源进行了分析评价 3 ， 为旅 游业的开发及规划提供了理论依据。封志明、郝慧梅、刘沛林，徐军昶，陈雪等 人对区域人居环境的气候适宜性进行了分析 3 ， 揭示了我国人居环境的自然适宜 程度及其空间规律性， 为基于人口发展的国土功能区划及人口空间规划提供了依 据。 1.3 研究思路 人居环境作为一个以人类聚居、生活生产为中心的多层次、多因素的复合生 态系统，其影响因素具有多元性特点。其中，自然地理是影响城市人居环境的基 本因素，其总体状态很大程度上决定了人居环境的质量；而在自然地理因素中， 气象气候又往往都是主导因素,也是构成这一系统最为密切直接的自然地理因 素。 本文以人类机体与近地大气之间的热交换原理为基础，综合国内外现有人居 环境气候适宜度评价的方法优略，建立模糊矩阵综合评价模型，从气象角度评价 人类在不同气候要素及其组合下的不同生理表现及不同的身体舒适感受。此外， 还将利用温湿指数、 风寒指数、 着衣指数和综合舒适度指数来检验模糊矩阵综合 评价模型的有效性。 需要指出的是此处的综合舒适度指数是廖善余提出的以大气环境中影响人 体体感舒适度的三个主要因子——多年的月平均气温、相对湿度、风速、日照为 基础,并根据陆鼎煌环境卫生学方法的有关资料提出来的, 其评价结果与采用特 吉旺(W.H.Terjung，1966)的舒适指数和风效指数 10 评价结果十分接近,具有一定 的可信度。 2 研究区域概况与数据来源介绍 2.1 区域概况 北京市介于北纬39.4°N-41.6°N，东经115.7°N-117.4°N，地处华北平 原的北部。 北京市西北高， 东南低。 西北部山脉绵延， 山峰林立， 百花山海拔1991 米，白草畔2035米，东灵山2303米，海坨山2334米，为全市的最高点。平原海拔 绝大部分为30—50米， 地势由西北向东南倾斜。 北京市垂直地带性变化十分明显， 垂直高差高差达2295米，在短距离内形成了平原，台地，丘陵，低山，中山等不 同的垂直景观。北京属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，春秋短 促，冬夏较长。夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温10~13摄氏度，1月份 最冷，平均气温-7~-4摄氏度，7月最热，平均气温25~26摄氏度。极端最低-27.4 摄氏度，极端最高42摄氏度以上。 2.2 数据来源 根据研究的需要， 本文在中国知网 （http://www.cnki.net/） 上选取了北京市1980 年—2011年的气温、相对湿度、日照时数、风速等气象因子的月平均值，在保证 了数据和资料的准确性、可靠性、专业性的同时，以此进行北京市气候适宜度的 相关研究。 3 模型一：模糊矩阵综合评价模型
7月平均最高气温/℃ 1月平均最低气温/℃ 风速 日照时数 特殊天气 年平均风速/m／s 春季平均风速/m/s 年平均日照时数/h
≦28 ≧0 ≦1.8 ≦2.3 2200—2500 ≧80 ≦8
28—32 0— -5 1.8—2.5 2.3—2.8 2000—2200或2500—2800 65—80 8—18
Y 很适宜，适宜，较适宜= 0.298,0.298 0.702, 0.702
3.4.5 建立隶属函数 下面给出正态分布作为隶属函数：
( x xij ) , xij x xi , j 1 rij e 0, 其他
2
( x xij ) 1 e , x x 或x x ij i , j 1 rin 0, 其他
X 3 x7 , x8 ， X 4 x9 , x10 ， X 5 x11
3.4.2
确定评价城市
根据本文的研究内容，记北京市为 W w ，并选取1978—2011年的北京市 气象统计资料作为分析样本。 3.4.3 确定评价因子的权重 目前已知的确定评级因子权重的方法有专家评分法、 因子分析法和相关系数 法等，为了克服诸如Delphi法等专家评分法的主观因素影响以及避免因子分析法 中经常出现的信息损失的缺陷， 本文综合上述几种方法的优略，采取相关系数法 来确定评价因子的权重。主要步骤是：计算各单项指标间的相关系数；求各单项 指标与其他指标间相关系数的评价值； 以某单项指标的相关系数平均值占所有评 价指标相关系数平均值总和的比例作为该指标的权重系数；最后，得出各因素集 相应的模糊权数集： 气 温 子 权 数 集 A1 0.3298,0.4612,-0.0187,0.2276 ， 相 对 湿 度 子 权 数 集
占有很大比例； 风速和日照也有一定的影响，其在适宜的范围内可以保证人体正 常的生理、 心理功能； 特殊天气现象虽然起不了决定性的作用， 但是一旦出现时， 会影响人的心理状态，甚至影响出行，从而使人的舒适感下降，因此也赋予其一 定的权重。 3.4.4 给定评语集 根据所研究的目的，本文给定评语集为：
城市人居环 境气候适宜 度评价因子 层次结构
相对湿度
气温
风速
日照时数
特殊天气
年平均相对 湿度、年平 均降水量
年平均气 温、年气温 极差、7 月 平均最高气 温、1 月平 均最低气温
年平均风 速、春季平 均风速
年平均日照 时数、年晴 天日数
年大风日数
图1 城市人居环境气候适宜度评价因子层次结构
3.3 确定评价体系的分级标准 在建立评级体系分级标准时，首先要根据人的心理感受和生理表现的特点， 确立不同气候条件下的不同等级的分级标准。而人居环境与人们心理、生理关系 最大， 一个良好的城市气候环境会使生活在这个城市里的人身心愉悦，通过改善 人的温热感和光电效应，促进身心和体力的恢复，进而提高工作效率。同时需要 知道，人对气候因子的适应也是有一个极限的，超出了这一极限值，体力劳动和 脑力劳动的工作效率都会下降， 甚至还会出现一些不舒适的生理反应 [12,13]（图2， 图3）。本文主要根据人在心理、生理上对气候环境的适应特点，确定每个气候 因子不同等级的分级标准（表1）。
A2 0.5,0.5,风速子权数集 A3 0.5,0.5，日照时数子权数集 A4 0.5,0.5 ，特
1 ，应用 AHP 法原理，确定气候适宜度的评价权数集： 殊天气子权数集 A5
A 0.298,0.233,0.174,0.1பைடு நூலகம்4,0.121
由得出的权重可看出： 气温与人体舒适感的关系是最大的，它是人体感觉是 否舒适的最直接的生理指标， 尤其是在高楼林立、车水马龙的城市人居环境中这 种感受更为显著； 其次是相对湿度，湿热组合对气候适宜度的影响在整个系统中
图2 体力劳动的工作效率与温度和风速的关系 13
图3 脑力劳动的工作效率与温度和时间的关系
13
表1 指标系统的分级标准 子系统 相对湿度 气温 因子 年平均相对湿度/% 年平均降水量/mm 年平均气温/℃ 年气温极差/℃ 很适宜 60—65 600—800 14—16 ≦20 适宜 50—60或65—75 400—600或800—1000 12—14 20—27 较适宜 <50或>75 <400或>1000 <12或>16 >27