The effect of climate change on human bio-meteorological conditions in different climate regions of China

Abstract

This thesis investigates the human thermal comfort and its variation in 31 provincial capital cities of mainland China, and Tibetan Plateau (TP) in the light of the anticipated global warming. Physiologically Equivalent Temperature (PET), Universal Thermal Climate Index (UTCI), Warm spell duration index (WSDI) and Cold spell duration index (CSDI) are well united for this research. Besides the data which are observed at the stations, this thesis also evaluates regional climate model data. The HadGEM3-RA and RegCM data from the CORDEX-East Asia project are used to project the human bio-meteorological conditions in TP in the future. The cities in the TP are classified into different types based on their seasonal human thermal comfort distribution. The changes of thermal comfort in recent decades, their regional differences and also the difference between thermal indices are analyzed in this study. Furthermore, the human bio-meteorological conditions of TP in the near future are evaluated with the extreme events included. The aim is to provide guidance for urban planning and management, industrial and agricultural production and people's livelihood, and give some references for related research. The PET and UTCI values are highly correlated with each other and present similar thermal comfort pattern in mainland China, although their sensitivities differ slightly. The 31 cities cover, 4–8 resp. 6–8 thermal comfort classes of the PET and UTCI scale. On the whole, the annual cumulative number of pleasant days was more than 160 days/year on average in 1981-2010. The 31 provincial capital cities in mainland China can be classified into only 5 types, in terms of seasonal variations in thermal comfort conditions, which are: pleasant summer and severe cold winter (type-I); pleasant spring, autumn, winter, and severe hot summer (type-II); pleasant spring and autumn, slightly pleasant summer, and cold winter (type-III); pleasant spring and autumn, hot stress summer, and slightly cold winter (type-IV); and pleasant spring, summer, autumn, and cool winter (type-V). In the past three decades, the cities in mainland China had experienced increasing pleasant spells in late winter and early spring and an intensification of heat stress in summer. The reduction in annual cumulative number of cold stress days in higher latitude/altitude cities outweighs the increase in duration of heat stress in subtropical cities. In TP, the UTCI stress category covers four categories: strong cold stress, moderate cold stress, slight cold stress, no thermal stress. The distribution frequency of UTCI categories varies among regions showing clear altitude/latitude dependency. Cold stresses is prevailing throughout the whole year under present day conditions A small amount of days with the no thermal stress category appears in the summer period. The human bio-meteorological condition is most stable from July to September. According to the climate change projections in 2024-2050, annual cumulative pleasant days will increase significantly while days with cold stress will be reduced. Lhasa, Xining, and Yushu will develop in future to the top three cities in terms of thermal favorability. More WSDI events are found than CSDI events in TP in 2024-2050. No significant increasing or decreasing trend for both indices in TP over the period of 2024-2050 could be detected. The number of extreme events changes from 0.4 per year to 3.3 per year in whole cities for individual city. Calculated trends of WSDI show an increase of warm-spell events in summertime and cold spells in wintertime. Comparing different cities, the variations in trend are small and very similar.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem menschlichen thermischen Komfort und dessen Variation in 31 Provinzhauptstädten Festlandchinas und auf dem Hochland von Tibet vor dem Hintergrund der Globalen Erwärmung. Die Physiologische Äquivalenztemperatur (PET), der thermische Klimaindex (UTCI), der Warmperiodenindex (WSDI) und der Kaltperiodenindex (CSDI) werden für die Auswertung verwendet. Neben den Observationsdaten der meteorologischen Stationen werden in dieser Arbeit ebenfalls Simulationen von regionalen Klimamodellen evaluiert. Daten von HadGEM3-RA und RegCM aus dem CORDEX-East Asia Projekt werden verwendet, um die bio-meteorologischen Konditionen im Hochland von Tibet für die Zukunft zu berechnen. Die Städte im Hochland von Tibet werden bezüglich der saisonalen Verteilung des menschlichen thermischen Komforts klassifiziert. Außerdem werden die Variationen des menschlichen thermischen Komforts in vergangenen Dekaden, die regionalen Unterschiede und die Differenzen zwischen den verschiedenen thermischen Indizes analysiert. Zusätzlich werden die bio-meteorologischen Verhältnisse im Hochland von Tibet unter Einbezug von Extremereignissen ausgewertet. Das Ziel ist es, Empfehlungen für Stadtplanung und -management sowie für industrielle und landwirtschaftliche Produktion zu geben und dabei auch die Lebensbedingungen für den Menschen einzubeziehen. Darüber hinaus werden Referenzen zu ähnlichen Forschungsvorhaben genannt. Die Werte für die PET und UTCI korrelieren sehr gut miteinander und zeigen ein gleiches Muster des thermischen Komforts auf dem chinesischen Festland mit kleinen Unterschieden bezüglich der Sensitivität. Die 31 Städte umfassen 4-8 beziehungsweise 6-8 Klassen von thermischem Komfort in der PET und UTCI Skala. In der Zeitspanne von 1981-2010 gab es durchschnittlich mehr als 160 schöne Tage pro Jahr. Die 31 Provinzhauptstädte Festlandchinas können bezüglich der saisonalen Variationen der Kondition des thermischen Komforts in 5 Klassen unterteilt werden: Angenehmer Sommer und streng kalter Winter (Typ 1), angenehmer Frühling, Herbst und Winter bei extrem heißem Sommer (Typ 2), angenehmer Frühling und Herbst, erträglicher Sommer und kalter Winter (Typ 3), angenehmer Frühling und Herbst, Sommer mit Hitzestress und erträglich kalter Winter (Typ 4) und angenehmer Frühling, Sommer und Herbst bei kaltem Winter (Typ 5). In den vergangenen drei Dekaden wurde in den Städten des chinesischen Festlandes eine steigende Anzahl von Wärmperioden im späten Winter und zu Beginn des Frühling sowie eine Intensivierung des Hitzestresses im Sommer beobachtet. Der Rückgang der jährlichen Anzahl der Tage mit Kältestress in höheren Breitengraden beziehungsweise in höher gelegenen Städten überwiegt den Anstieg der Dauer der Hitzestressphasen in subtropischen Städten. Im Hochland von Tibet gibt es 4 Kategorien für thermischen Stress: starker Kältestress, moderater Kältestress, geringer Kältestress, kein thermischer Stress. Die Verteilung der UTCI Kategorien variiert zwischen den Regionen und zeigt eine klare Breitengrad- und Höhenabhängigkeit. Bei aktuellen Bedingen gibt es das ganze Jahr über Regionen mit Kältestress. Eine kurze Phase von Tagen ohne thermischen Stress ereignet sich im Sommer. Die bio-meteorologischen Konditionen sind in den Monaten Juli bis September am Stabilsten. Entsprechend der Klimawandelprojektionen für 2024-2050 nimmt die jährliche Anzahl der angenehmen Tage signifikant zu, während weniger Tage mit Kältestress zu erwarten sein werden. Die Städte Lhasa, Xining und Yushu werden sich in Zukunft zu den Städten mit den besten thermischen Bedingungen entwickeln. Im Zeitraum 2024-2050 geschehen im Hochland von Tibet mehr WSDI Ereignisse als CSDI Ereignisse. Allerdings konnte für beide Ereignisse keine Signifikant im ansteigenden beziehungsweise abfallenden Trend gefunden werden. Die Anzahl der Extremereignisse steigt für einzelne Städte von 0,4 pro Jahr auf 3,3 pro Jahr. Berechnete Trends für den WSDI zeigen einen Anstieg der Anzahl von Warmperioden im Sommer und Kaltperioden im Winter. Im Vergleich zwischen verschiedenen Städten sind die Unterschiede in den Trends sehr gering oder gleich.