海南岛(108°37'E—111°03'E、18°09'N—20°11'N)是中国南海边陲的热带岛屿,位于北回归线以南,东亚大陆东南端。该岛属于典型的海洋性热带季风气候,全年温暖湿润,拥有其他地区无法媲美的自然生态环境,包括热带雨林、地热温泉、珍稀动植物等,四面环海的独特地理位置,加之开发较晚,未经历现代工业污染,空气清晰。研究发现,海南省冬半年的气候和空气质量明显优于我国大多数省、自治区和直辖市,高血压病患者在海南疗养6个月后,血压和血脂均有不同程度的改善,海南岛气候对老年人的疾病康复可能有益^[1]。近些年来,每年国庆节过后,大批北方老年人陆续来海南“猫冬”。这种效仿候鸟、趋利避害的差异化旅居养生、康养的生活方式,逐渐成为老年人追寻的一种时尚。国家旅游局下发的《国家康养旅游示范基地标准》中:康养旅游是指通过养颜健体、营养膳食、修身养性和关爱环境等各种手段,使人在身体、心智和精神上都能达到自然和谐的优良状态的各种旅游活动总和。伴随着海南岛旅游业方向的转变,“康养旅游”得到了政府、社会和民众的广泛关注与大力支持^[2]。因此,开展海南岛气候舒适度时空分布研究对当地经济发展及老年人康养现实意义重大。

早在20世纪50年代便开始了有关气候舒适度的研究,相继提出了温湿指数和风效指数,构建舒适指数测评模型,划分旅游适宜区,为旅行者选择目的地提供参考^[3,4,5,6]。2011年,人居环境气候舒适度评价标准(GB/T27963—2011)采用了温湿指数和风效指数。目前国内关于舒适度指数的研究主要利用气温、相对湿度、平均风速以及日照时数,采用温湿指数、风效指数以及着衣指数进行加权综合,构建舒适度综合评价模型,主要应用于旅游气候资源评估及开发^{[7,8,9,10,11,12]}。然而,我国地域辽阔,地形地貌复杂,不同地区人群对气温、湿度等气象要素的适应性不同,导致人体舒适度存在一定差异。以上的舒适度评价模型无法处理地理位置带来的误差,不能作为统一标准,而黄金分割法除了考虑气象因子引起的体感温度外,还考虑了不同月份、纬度和海拔高度造成的人体感觉差异,克服了地理位置带来的误差。为此,本文利用海南岛气象站点观测数据,统计分析海南岛气候特征,并基于黄金分割法的人体舒适度计算方法和旋转经验正交分解法,分析海南岛空间康养优势,为“候鸟人群”前往海南开展康养活动提供科学指导,同时为当地因地制宜发展康养旅游(居)产业、科学制定发展规划提供一定参考。

使用全国综合气象信息数据共享平台提供的海南岛1980—2018年19个气象站降水量、平均气温、平均风速、平均相对湿度等逐日气象观测资料。海南省行政边界基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为琼S(2020)035的标准地图绘制,底图无修改。

采用基于“黄金分割率”的体感温度方法^[13]计算人体舒适度,并根据日平均体感温度将人体舒适度进行等级划分(表1)。其中,广义舒适域包含微热、舒适、凉爽、凉4个等级。该方法综合了气温、湿度、风速、降水等气象要素,并订正了纬度、月份、海拔高度等影响因子带来的差异,可以客观地反映海南岛不同区域的人体舒适程度。

人体最佳舒适温度计算公式如下:

人体体感温度计算公式如下:

当T_a≥T_s时,

当T_a<T_s时,

式中:T_s(℃)为人体最佳舒适温度;T_g(℃)为体感温度;T_a(℃)为气温;φ为纬度;M为月份;H(m)为海拔高度;系数A=36.75×(1-0.618)≈14;RH(%)为相对湿度;RH_s(%)为最适相对湿度(无降水时,RH_s=0.5;有降水时,RH_s=0.618);V(m·s^-1)为平均风速。

中国气象行业气候季节划分标准(QX/T152—2012)(简称“标准”)中,春季定义为日平均气温或滑动平均气温大于或等于10 ℃且小于22 ℃;夏季定义为日平均气温或滑动平均气温大于或等于22 ℃;秋季定义为日平均气温或滑动平均气温小于22 ℃且大于或等于10 ℃;冬季定义为日平均气温或滑动平均气温小于10 ℃^[14]。这种以气候滑动平均气温(连续5 d气温的滑动平均)动态划分的标准更能客观科学、准确合理地划分出四季,且与人体舒适度的关系更为密切,更符合区域实际状况。因此,本文将依据该标准来确定海南岛气候康养的最佳时期与区域。

气候季节早晚等级是依据当年与常年气候季节起止日期的差值D_d来划分,分为特早、偏早、正常、偏晚和特晚5个等级,通常用相差的天数来表示,见表2。

气候季节长短等级是依据当年与常年气候季节长度的差值D_l来划分,分为特短、偏短、正常、偏长和特长5个等级,见表3。

REOF是在经验正交分解(EOF)的基础上,选择一个正交旋转矩阵,使原始矩阵旋转后的列向量元素平方的方差达最大,从而使原要素场的信息特征集中映射到载荷场所表示的优势空间上。REOF能够克服EOF展开时存在一定取样误差的局限性,旋转后的时空场空间分布结构更加清晰,不仅可以较好地反映不同地域的变化,还可以反映不同地域的相关分布状况,使原来的特征向量结构简化、特征更明显^[15,16]。因此,本文采用REOF对海南岛人体舒适度进行空间分析,从而获得最佳舒适区域。

海南岛常年气侯温暖,无严寒与酷暑,年平均气温为22.9~25.3 ℃,以中部琼中最低,南部三亚最高,气温从中部山区向四周沿海递增,23 ℃等温线在中部山区闭合[图1(a)];年平均雨量为1157~2615 mm,等雨量线呈环状分布,自中东部向北、南、西三面逐渐递减,多雨带位于琼中东部至万宁一带,少雨区位于西部沿海东方市[图1(b)]。海南岛东部地区位于海洋气流的迎风坡,降水多;西部地区位于背风坡,降水少。同时,海南岛降水季节分配很不均匀,有明显的多雨季和少雨季。其中,每年5—10月是多雨季,累计雨量约1500 mm,占年降雨量的70%~90%,主要为锋面雨、热雷雨和台风雨,且降水主要发生在夏季,多是午后的局地阵性降水,历时短,雨量小,不影响观光,还会适当地降温,使天气变得凉爽^[17];11月至翌年4月为少雨季,干旱时常发生。

海南岛气候湿润,年平均相对湿度在74%~86%之间,大体由西部向东部逐步递增[图1(c)],且各月平均相对湿度变化不大,相对湿度大值中心(琼中)与降水中心一致。相对湿度易受气压变化影响,而气压变化对比湿影响不大,因此在描述大气的水汽分布时比湿尤为重要。海南岛年平均比湿在14.8~16.4 g·kg^-1之间,四周沿海地区的比湿较中部山区大,且东部沿海的比湿大于西部沿海[图1(d)],这与海南岛冬季主吹东北风、东风、北风和夏季主吹东南风、南风、西南风有关。冬季,海南岛受东亚季风影响较大,季风带来充沛的水汽。另外,中国上空大气90%以上的水汽集中在对流层中下层,比湿随高度升高迅速降低,因此中部山区比湿较四周平原低。

综上可见,受季风影响,夏季海南岛沿海地区相对湿度和比湿都较大,且气温较高,人们可以选择去中部山区避暑纳凉;冬季,沿海地区气候温暖,空气中水汽含量适中,十分适宜“候鸟人群”进行康养活动。

将海南岛19个气象观测站的日平均气温先进行区域平均,然后做5 d滑动平均,根据中国气象行业气候季节划分标准(QX/T152—2012),得到海南岛多年和不同年代下平均气候季节日期及天数,见表4和表5。

海南岛常年滑动平均气温序列无连续5 d小于10 ℃的情况,因此海南岛为无冬区。根据该标准规定,无冬区春季的起始日期为1月1日,故海南岛入春日为1月1日,结束日多年平均为3月11日,春季持续70 d;夏季起始、结束日期分别为3月12日和11月17日,持续时间最长达251 d;秋季开始日期为11月18日,持续时间最短,仅为44 d(表4)。

海南岛3月中旬入夏,从20世纪70年代开始入夏时间有所提前,且21世纪10年代以前呈阶段性持续提前,夏季逐年代持续延长;入秋时间是11月中下旬,21世纪10年代入秋时间明显偏晚(表5)。可见,海南岛夏季时间延长,春秋两季时间缩短。另外发现,海南岛夏季从3月中旬至11月中旬,春秋两季为11月中下旬至次年3月中旬,恰好与常规冬半年时间相符,适合“候鸟人群”前往避寒过冬,具有天文意义上的冬季。

2.3.1 旋转载荷向量场及空间分布

经统计,海南岛春季和秋季广义舒适域天数占比均在96%以上(表6),夏季广义舒适域天数占比仅28.10%,表明海南岛夏季大部时间处于非广义舒适域,而春季和秋季是最佳的气候康养时段。因此,下文仅针对海南岛春秋两季广义舒适域天数进行人体舒适度区域特征分析。

由EOF分析结果可知,海南岛春秋两季广义舒适域日数的前4个载荷向量的累积方差贡献占总方差的96.79%,其中第1载荷向量的方差贡献率高达85.93%,远大于其他载荷向量(表7),且向量场均为正值,载荷大值区位于东北部,低值区在南部[图2(a)],第1载荷向量反映了海南岛春秋季广义舒适域日数具有全区一致性特征,即某年海南岛春秋季广义舒适日数普遍增加或减少;第2模态的方差贡献率仅占6.15%,且南北呈反向分布,表明海南岛春秋两季广义舒适日数呈现南高(低)北低(高)的分布特点,以昌江—五指山—琼海一线为界,南部为正值,北部为负值[图2(b)],这一模态反映了海南岛因纬度、海拔差异,南北部广义舒适域日数呈现反向分布的异常态势;第3、4模态的方差贡献率均低于3%,且均呈现出中部与四周反向分布的特点,大值中心分别位于五指山[图2(c)]、保亭[图2(d)]。

由REOF分析结果可知,海南岛春秋两季广义舒适域日数的前4个旋转载荷向量的累积方差贡献率达96.79%,载荷向量场均一致为正值,旋转后的空间场分布结构较EOF更清晰。其中,第1模态的方差贡献率占44.93%,为主要分布模态,载荷值整体呈现南低北高的分布格局,大值区在海南岛北部,中心(琼山)最大值为0.86[图2(e)],是近39 a海南岛广义舒适日数变化敏感的中心地区;第2模态的方差贡献率为8.74%,载荷大值区在海南岛东南部,中心(三亚)最大值为0.98[图2(f)];第3模态的方差贡献率为22.13%,载荷值呈中部高、四周低的空间分布,大值中心(五指山)为0.84[图2(g)];第4模态的方差贡献率为20.99%,载荷值呈东西两侧高、中间低的分布格局,大值中心(陵水)为0.67[图2(h)]。

2.3.2 人体舒适度区划及特征

按North判别准则,将同一旋转载荷向量场中载荷绝对值大于或等于0.6且连成一片的区域划为同一区域,对于重叠的区域再按照行政区边界重新划分^[18,19]。在第2模态中,旋转载荷向量场的载荷绝对值大于或等于0.6的站点只有三亚,不符合分区原则。最终,将海南岛广义人体舒适度划分为3个区域,分别命名为琼北Ⅰ区、琼中Ⅱ区和琼南Ⅲ区,对应包括13、2、3个站点(图3)。

统计发现,海南岛年平均广义舒适日数Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区分别为164、223、155 d,3个舒适区多年平均春季、秋季广义舒适日数无明显差异,分别为66、42 d左右[图4(a)]。可见,春、秋季海南岛上述3个区域的广义舒适日数相差不大,均适宜康养旅游,但整体上Ⅱ区最为舒适,其次是Ⅰ区。从海南岛3个广义舒适区春、秋季广义舒适日数的年际变化[图4(b)、图4(c)和图4(d)]看出,近39 a来3个舒适区春、秋季的广义舒适日数均呈现下降趋势,这与全球气候变化以及城市化气温升高导致的区域舒适日数减少有一定关系^[20],但是仅Ⅱ区春季和Ⅲ区秋季广义舒适日数的变化趋势通过α=0.05的显著性检验,说明海南岛春秋两季的气候环境稳定,气候变化引起的广义舒适域日数变化幅度较小,侧面反映了海南岛冬半年常处于舒适环境中,这对疾病的恢复及康养十分有益。

(1)海南岛年平均气温为22.9~25.3 ℃,以中部的琼中最低,南部的三亚最高;年平均雨量为1157~2615 mm,等雨量线呈环状分布,中东部多、西部少;气候湿润,年平均相对湿度在74%~86%之间,且由西部向东部逐渐递增;年平均比湿在14.8~16.4 g·kg^-1之间,四周沿海比湿大于中部山区,东部沿海比湿较西部沿海大。

(2)依据中国气象行业标准划分的季节与海南岛气候特征十分吻合。海南岛夏季为3月中旬至11月中旬,春秋两季为11月中下旬至次年3月中旬,与常规冬半年时间相符。在气候意义上,海南岛属于无冬区,常年温暖湿润,是一个康养胜地,最佳康养时段为冬半年,即11月至次年3月。

(3)海南岛广义人体舒适域划分为琼北、琼南、琼中3个区域,3个区域近39 a间春、秋季广义舒适日数均呈下降趋势,整体上以Ⅱ区的五指山和琼中为最佳舒适区域。我国北方地区越来越多的患有慢性疾病的老年人群,可选择海南岛春秋两季前往五指山、琼中、白沙等地进行气候康养旅游,以获得最佳养生效果。