鄧悅，屈文軍

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心，廣西 南寧 530022； 2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院海洋氣象學(xué)系，山東 青島 266100)

引言

熱浪天氣主要指持續(xù)的極端高溫天氣過(guò)程。20世紀(jì)90年代以來(lái)全球許多地區(qū)出現(xiàn)了多次嚴(yán)重的高溫?zé)崂?，?003年歐洲和北美等地[1-3]、2006年美國(guó)加利福尼亞州[4]、2009年澳大利亞[5]、2010年俄羅斯[6]、2012年西西伯利亞[7]、2015年印度、2017年中國(guó)[8]都曾出現(xiàn)持續(xù)的強(qiáng)熱浪天氣，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重危害。政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì) (Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告指出全球極端高溫事件自1950年以來(lái)發(fā)生次數(shù)增多，且熱浪天氣在21世紀(jì)可能更為頻發(fā)、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)[9]。

以往中國(guó)熱浪的研究主要關(guān)注全國(guó)范圍熱浪頻次、強(qiáng)度及高低值中心的時(shí)空變化。如葉殿秀等[10]研究發(fā)現(xiàn)1961—2010年夏季熱浪頻次、日數(shù)和強(qiáng)度高值區(qū)均在江淮、江南大部和四川盆地東部，熱浪頻次(強(qiáng)度)20世紀(jì)60年代至80年代前期與80年代后期以來(lái)分別呈減少(弱)與增多(強(qiáng))的趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代以來(lái)全國(guó)高溫?zé)崂朔植挤秶黠@增大。LI et al.[11]的研究表明中國(guó)北方多發(fā)強(qiáng)度高、持續(xù)時(shí)間短的熱浪，而南方熱浪通常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、潛在危害大。張嘉儀和錢(qián)誠(chéng)[12]指出1960—2018年高溫日數(shù)和熱浪次數(shù)顯著增多的站點(diǎn)主要出現(xiàn)在華南和西北地區(qū)。齊慶華等[13]綜合極端高溫出現(xiàn)的次數(shù)、持續(xù)時(shí)間和累積效應(yīng)建立夏季極端最高氣溫影響指數(shù)，發(fā)現(xiàn)黃河以北及江南和華南地區(qū)指數(shù)較大(受極端高溫影響大)，而江淮和黃淮地區(qū)指數(shù)較小。此外還有研究關(guān)注具體地區(qū)熱浪的變化，如孫藝杰等[14]發(fā)現(xiàn)黃土高原熱浪頻次整體呈增加趨勢(shì)，山西東北部、青海東部和甘肅中南部增加顯著。

以上研究并未討論不同類(lèi)型熱浪的時(shí)空分布和變化。根據(jù)濕度分類(lèi)，DING and QIAN[15]定義并討論了1960—2008年中國(guó)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、分布范圍最廣和強(qiáng)度最強(qiáng)的十大區(qū)域性干、濕熱浪事件，發(fā)現(xiàn)區(qū)域濕熱浪發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度20世紀(jì)80年代相對(duì)較低，但自20世紀(jì)90年代以來(lái)顯著增加。GAO et al.[16]指出在2000年后江淮流域悶熱型熱浪日數(shù)減少，而干熱型熱浪日數(shù)增加。王喜元[17]發(fā)現(xiàn)1960—2013年我國(guó)干熱型、普通型和濕熱型熱浪天氣發(fā)生頻次、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度均呈現(xiàn)“減少—增加—減少”的年代際變化特征。

因?yàn)椴煌?lèi)型熱浪對(duì)人體舒適度影響不同，本文重點(diǎn)分析中國(guó)夏季不同類(lèi)型熱浪天氣的時(shí)空分布特征，并關(guān)注不同地區(qū)之間的差異。氣候的地域差異和人群對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻拈L(zhǎng)期適應(yīng)使得不同地區(qū)人群對(duì)高溫的感知和承受能力存在差異，而不同類(lèi)型熱浪天氣下人體的舒適度也有所差異，因此不同地區(qū)各類(lèi)型熱浪天氣的差異需要認(rèn)真考慮。此外，高溫?zé)崂税l(fā)生日數(shù)或頻次只反映熱浪天氣發(fā)生的多少，而熱浪過(guò)程的環(huán)境舒適度更能反映高溫?zé)崂藢?duì)人體的不利影響，但目前針對(duì)熱浪天氣的環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)較少，這也是本文關(guān)注的另一重要問(wèn)題。

本文采用更為詳細(xì)的地理分區(qū)，利用地面氣象觀測(cè)資料研究中國(guó)夏季熱浪天氣及相關(guān)氣象要素在不同地區(qū)的變化，探討不同類(lèi)型熱浪日數(shù)的時(shí)空分布及其變化趨勢(shì)。與已有的研究不同，本文使用不受少數(shù)異常值干擾的Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析熱浪天氣的變化。同時(shí)采用溫濕指數(shù)和人體舒適度指數(shù)評(píng)價(jià)不同類(lèi)型熱浪天氣期間的環(huán)境舒適度，討論海風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)夏季熱浪的影響。研究結(jié)果將有助于評(píng)價(jià)熱浪天氣過(guò)程的環(huán)境舒適度及其對(duì)人體的危害，同時(shí)也對(duì)高溫?zé)崂颂鞖獍l(fā)生和變化趨勢(shì)的研究及相關(guān)防范措施的制定和實(shí)施具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)與研究區(qū)分區(qū)

1)日最高氣溫和日平均相對(duì)濕度(relative humidity，RH)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)提供的中國(guó)地面氣候數(shù)據(jù)日值數(shù)據(jù)集(V3.0)，選取1960—2018年中國(guó)境內(nèi)除香港、澳門(mén)和臺(tái)灣以外具有連續(xù)觀測(cè)記錄的476個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)分析熱浪日數(shù)時(shí)空分布特征及其變化趨勢(shì)。按照《中國(guó)氣象地理區(qū)劃手冊(cè)》[18]的全國(guó)一級(jí)區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)分為11個(gè)大區(qū)(圖1)。

圖1 中國(guó)地面氣象觀測(cè)站站點(diǎn)分區(qū)(填色菱形塊)[18] Fig.1 Partition of surface meteorological observation stations in China (colored rhombus)[18]

2)從美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)提供的1973—2018年每日8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)次的中國(guó)地面綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)選取最接近每日最高氣溫發(fā)生時(shí)段的當(dāng)?shù)貢r(shí)間14時(shí)(06：00 UTC)的氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速數(shù)據(jù)分析熱浪天氣期間14時(shí)的氣溫和其他氣象要素的特征。

這里數(shù)據(jù)1)和數(shù)據(jù)2)均來(lái)源于地面氣象站的觀測(cè)。選擇具有分時(shí)次結(jié)果的數(shù)據(jù)2)只是為了聚焦熱浪過(guò)程中環(huán)境舒適度最差的午后時(shí)段，分析熱浪天氣期間14時(shí)的氣溫和其他氣象要素的特征?；趦商讛?shù)據(jù)分析的熱浪日數(shù)時(shí)間空間分布特征相似(圖略)，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)1)和數(shù)據(jù)2)的一致性，兩者都適用于本研究。

1.2 熱浪天氣的定義及分類(lèi)

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2014《區(qū)域性高溫天氣過(guò)程等級(jí)劃分》[19]與中國(guó)氣象局《氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)發(fā)布與傳播辦法》[20]中高溫預(yù)警的規(guī)定，并參考DING and QIAN[15]、SUN et al.[21-22]的標(biāo)準(zhǔn)，將日最高氣溫≥35 ℃作為1個(gè)高溫日；連續(xù)3 d及以上出現(xiàn)高溫日稱為熱浪天氣過(guò)程，并統(tǒng)計(jì)熱浪天氣過(guò)程的高溫日數(shù)為熱浪日數(shù)，即連續(xù)3 d及以上的高溫日才被統(tǒng)計(jì)為熱浪日。此外，以60%相對(duì)濕度作為分界，定義日平均相對(duì)濕度小于(大于等于)60%的熱浪日為干熱浪日(濕熱浪日)，與GAO et al.[16]的研究一致。對(duì)于濕熱浪日，定義相對(duì)濕度≥70%、80%和90%的濕熱浪日為較強(qiáng)濕熱浪日、強(qiáng)濕熱浪日和極強(qiáng)濕熱浪日，并根據(jù)上述定義統(tǒng)計(jì)每年發(fā)生的各類(lèi)熱浪日數(shù)進(jìn)行分析。考慮到熱浪的影響和危害隨著相對(duì)濕度增加而加劇，將相對(duì)濕度更高的濕熱浪日(雖然包含在前一濕熱浪分類(lèi)中)進(jìn)一步劃分出來(lái)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1.3 環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)

溫濕指數(shù)(temperature-humidity index，THI)和人體舒適度指數(shù)(comfort index of human body，ICHB)是目前常用的評(píng)價(jià)環(huán)境舒適度的指標(biāo)，本文采用這兩種指數(shù)評(píng)價(jià)熱浪過(guò)程中的環(huán)境舒適度。

溫濕指數(shù)ITH的計(jì)算公式[23]為：

ITH=t-0.55×(1-VRH)×(t-14.4)

(1)

人體舒適度指數(shù)的計(jì)算公式[24]為：

(2)

式(1)、式(2)中ITH為溫濕指數(shù)，ICHB為人體舒適度指數(shù)，t為氣溫(℃)，VRH為相對(duì)濕度(%)，v為風(fēng)速(m·s-1)?？紤]到各氣象要素日變化比較顯著，采用小時(shí)平均的氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速進(jìn)行熱浪日逐小時(shí)溫濕指數(shù)和人體舒適度指數(shù)計(jì)算，這更有利于聚焦熱浪日環(huán)境舒適度最差的午后時(shí)段進(jìn)行分析。

溫濕指數(shù)考慮氣溫和相對(duì)濕度對(duì)人體散熱的影響，反映人體在不同環(huán)境溫度-濕度組合下感到舒適的程度。人體舒適度指數(shù)與溫濕指數(shù)的差異在于進(jìn)一步考慮了風(fēng)速的影響，表征人體在不同溫度、濕度和風(fēng)速下對(duì)環(huán)境的舒適度感受。溫濕指數(shù)和人體舒適度指數(shù)的等級(jí)劃分及相應(yīng)人體感覺(jué)程度見(jiàn)表1[24-25]，溫濕指數(shù)和人體舒適度指數(shù)數(shù)值越高人體感受越不舒適。

表1 溫濕指數(shù)(THI)和人體舒適度指數(shù)(ICHB)等級(jí)劃分及感覺(jué)程度[24-25]

1.4 趨勢(shì)分析

本文使用Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析熱浪天氣的變化趨勢(shì)，該方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[25]。假設(shè)H0表示時(shí)間序列是數(shù)據(jù)獨(dú)立、具有相同分布、不存在趨勢(shì)的隨機(jī)樣本，備選假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S計(jì)算如下式：

(3)

其中，sgn()為符號(hào)函數(shù)：

(4)

S為正態(tài)分布，方差為：

(5)

當(dāng)n>10時(shí)，ZC收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

(6)

使用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法中的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)量ZC分析熱浪日數(shù)的變化趨勢(shì)，ZC服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，當(dāng)|ZC|>1.645、1.960、2.576表明變化趨勢(shì)分別通過(guò)90%、95%和99%的顯著性水平檢驗(yàn)，并使用Kendall傾斜度β值作為衡量趨勢(shì)大小的指標(biāo)。

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 熱浪日數(shù)的空間分布

計(jì)算各站點(diǎn)夏季熱浪日數(shù)，由圖2a可見(jiàn)中國(guó)南方大多數(shù)站點(diǎn)1960—2018年夏季總熱浪日數(shù)大于100 d。除新疆外夏季熱浪日數(shù)呈東南多西北少的特征，但臨海站點(diǎn)因海風(fēng)影響熱浪日數(shù)偏少(圖2a，將在2.5節(jié)討論)，干熱浪日數(shù)此特征更突出(圖2b)。熱浪日數(shù)(圖2a)、干熱浪日數(shù)(圖2b)和濕熱浪日數(shù)(圖2c)的空間分布對(duì)比表明中國(guó)東部大部分站點(diǎn)以濕熱浪為主，而新疆、西北地區(qū)、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)以干熱浪為主。江淮—江漢一帶(圖2b黑框內(nèi))干熱浪日數(shù)比其西北側(cè)和東南側(cè)都少，形成一條干熱浪日低值帶。圖2c、d、e對(duì)比表明濕熱浪日以相對(duì)濕度≥70%和≥80%的較強(qiáng)濕熱浪日和強(qiáng)濕熱浪日為主，而相對(duì)濕度≥90%的極強(qiáng)濕熱浪日僅在中國(guó)東部個(gè)別站點(diǎn)發(fā)生(圖2f)。

圖2 1960—2018年各單站夏季累計(jì)熱浪日數(shù)分布(填色圓圈，單位：d；底圖地圖審圖號(hào)：GS(2019)1697，下同；a.總熱浪日數(shù)，b.干熱浪日數(shù)，c.濕熱浪日數(shù)，d.較強(qiáng)濕熱浪及以上強(qiáng)度日數(shù)，e.強(qiáng)濕熱浪及以上強(qiáng)度日數(shù)，f.極強(qiáng)濕熱浪日數(shù))Fig.2 Distribution of cumulative heat wave (HW) days at single stations in summer from 1960 to 2018 (colored circle, units: d; Map Content Approval Number: GS(2019)1697, the same hereafter; a. total number of HW days, b. the number of dry HW days, c. the number of wet HW days, d. the number of relatively strong wet HW days and above, e. the number of strong wet HW days and above, f. the number of extremely strong wet HW days)

由1960—2018年各單站夏季年均熱浪日數(shù)(圖3)可見(jiàn)，江南地區(qū)熱浪日數(shù)最多，大多數(shù)站點(diǎn)年均熱浪日數(shù)大于13.6 d。按大區(qū)統(tǒng)計(jì)夏季熱浪日數(shù)從高到低依次為江南(15.0 d)，江漢(12.0 d)、江淮(9.2 d)、華南(7.9 d)、黃淮(5.6 d)、西北(4.7 d)、西南(3.2 d)、華北(2.8 d)、內(nèi)蒙古(0.5 d)和東北地區(qū)(0.2 d)。省份間比較表明江西、重慶、湖南、湖北和新疆夏季熱浪日數(shù)排全國(guó)前五位，分別為21 d、17 d、15 d、13 d和12 d。除新疆外夏季熱浪日數(shù)東南多、西北少的特征也很清楚。

圖3 1960—2018年各單站夏季年均熱浪日數(shù)(填色圓圈，單位：d)分布Fig.3 Distribution of annual mean HW days (colored circle, units: d) at single stations in summer from 1960 to 2018

各地區(qū)不同相對(duì)濕度分級(jí)熱浪日數(shù)的比較(圖4)表明，干熱浪主要發(fā)生在中國(guó)北方，西北最多(年均4.4 d)，其次為黃淮和華北地區(qū)(年均2.0 d)。內(nèi)蒙古和西北地區(qū)干熱浪日在所有熱浪日中所占百分比分別為96%和94%；華北和東北干熱浪日約占70%。濕熱浪主要發(fā)生在中國(guó)南方，華南、江淮、江南、江漢、西南地區(qū)濕熱浪日分別占98%、94%、89%、88%和76%；華南、江淮、江漢地區(qū)較強(qiáng)濕熱浪所占百分比超過(guò)50%。

圖4 1960—2018年中國(guó)各區(qū)域不同相對(duì)濕度分級(jí)(色階，單位：%)累計(jì)熱浪日數(shù)(單位：d)Fig.4 Cumulative HW days (units: d) at different relative humidity (RH) level (color scale, units: %) over different regions of China from 1960 to 2018

2.2 熱浪日數(shù)的年代際變化

年代際變化特征表明20世紀(jì)60年代各區(qū)域熱浪發(fā)生日數(shù)較多(圖5a)，西北、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)熱浪日數(shù)自20世紀(jì)60年代以來(lái)呈上升趨勢(shì)；江南、江漢、江淮、華北和西南地區(qū)20 世紀(jì) 60年代至80 年代初熱浪日數(shù)呈減少趨勢(shì)，而20世紀(jì)90年代以來(lái)熱浪日數(shù)明顯增加(圖5a)，與葉殿秀等[10]的研究結(jié)果一致。自1990年以來(lái)各地區(qū)夏季熱浪天氣發(fā)生更為頻繁且在近年尤為突出，如江南、江漢、江淮、華南、西北、西南、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)2010年以來(lái)熱浪日數(shù)均高于其他時(shí)期(圖5a)。1960—2018年期間不同年代熱浪日數(shù)空間分布(圖略)無(wú)明顯差異，江南地區(qū)熱浪日數(shù)始終最多。

圖5 不同年代中國(guó)各區(qū)域夏季年均熱浪日數(shù)(單位：d；a.年均干濕熱浪日數(shù)，b.年均干熱浪日數(shù)，c.年均濕熱浪日數(shù))Fig.5 Annual mean summertime HW days (units: d; a. annual mean dry/wet HW days, b. annual mean dry HW days, c. annual mean wet HW days) over different regions of China during different decades

圖5b和圖5c分別給出各區(qū)域不同年代的干、濕熱浪日數(shù)。江南、江漢、江淮和華南地區(qū)濕熱浪日數(shù)明顯多于干熱浪日數(shù)，濕熱浪也呈現(xiàn)出“先減少，后增加”的年代際變化趨勢(shì)，與熱浪日相同。西北、東北和內(nèi)蒙古地區(qū)濕熱浪日數(shù)很少。

年代際變化表明2000—2009年各地區(qū)干熱浪均偏多，干熱浪日占總熱浪日百分比的距平均為正(圖6a紅框)，其中黃淮、華北干熱浪日所占百分比高于平均值10%以上；而此期間濕熱浪日偏少(濕熱浪日所占百分比距平均為負(fù)，圖6b紅框)。2000—2009年各地區(qū)熱浪日相對(duì)濕度多呈現(xiàn)負(fù)距平(圖略)，該時(shí)期較低的相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)干熱浪日偏多而濕熱浪日偏少。2010年后華北、江南、江漢、江淮和黃淮地區(qū)極強(qiáng)濕熱浪日占總熱浪日百分比距平為正(圖6c紅框)，極強(qiáng)濕熱浪在上述地區(qū)發(fā)生頻率增加。

圖6 不同年代中國(guó)各區(qū)域干熱浪(a)、濕熱浪(b)和極強(qiáng)濕熱浪(c；斜線填充表示無(wú)極強(qiáng)濕熱浪發(fā)生)日數(shù)占總熱浪日數(shù)百分比的距平(色階，單位：%)Fig.6 Anomaly (color scale, units: %) of proportion of dry HW days (a), wet HW days (b), and extremely strong wet HW days (c; area filled by slashes denotes no extremely strong wet HW events) in total HW days over different regions of China during different decades

2.3 熱浪天氣期間的溫濕指數(shù)與人體舒適度指數(shù)

利用氣溫與相對(duì)濕度定義熱浪日的不同類(lèi)型不能很好地反映高溫?zé)崂诉^(guò)程中人體的感受。為更確切地反映人體在一定環(huán)境氣象條件下的感受和舒適程度，可采用溫濕指數(shù)與人體舒適度指數(shù)評(píng)價(jià)熱浪期間的環(huán)境舒適度；二者都考慮氣溫和相對(duì)濕度，人體舒適度指數(shù)還考慮風(fēng)速。計(jì)算各站點(diǎn)熱浪天氣期間14時(shí)(通常最接近每日氣溫最高時(shí)段)的溫濕指數(shù)和人體舒適度指數(shù)，發(fā)現(xiàn)高溫?zé)崂税l(fā)生日數(shù)(圖2)與熱浪期間環(huán)境舒適度的空間分布(圖7)并不完全一致，熱浪發(fā)生最多的地區(qū)在熱浪期間人體感受并非最不舒適。由圖2a和圖2c可見(jiàn)夏季江南地區(qū)熱浪日數(shù)和濕熱浪日數(shù)最多，但熱浪天氣過(guò)程中江淮地區(qū)溫濕指數(shù)(圖7a—c)和人體舒適度指數(shù)(圖7d—f)最大(人體感受最不舒適)。

圖7 1973—2018年夏季熱浪(a、d.干濕熱浪，b、e.干熱浪，c、f.濕熱浪)期間14時(shí)平均溫濕指數(shù)(THI，填色圓圈；a、b、c)與人體舒適度指數(shù)(ICHB，填色圓圈；d、e、f)Fig.7 Mean temperature-humidity index (THI, colored circle; a/b/c) and comfort index of human body (ICHB, colored circle; d/e/f) at 14:00 during summertime HW events (a/d. dry/wet HW, b/e. dry HW, c/f. wet HW) from 1973 to 2018

參照表1可知熱浪期間全國(guó)大部分站點(diǎn)人體舒適度指數(shù)評(píng)級(jí)為9級(jí)(酷熱，很不舒適)，同時(shí)南方溫濕指數(shù)評(píng)級(jí)處于5級(jí)(悶熱)以上。濕熱浪期間更大的溫濕指數(shù)和人體舒適度指數(shù)(圖7c和圖7f)表明，濕熱浪天氣大多數(shù)站點(diǎn)不舒適程度明顯高于干熱浪天氣(圖7b和圖7e)。除氣溫(圖8a—c)影響外，較高的相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)較大的環(huán)境舒適度指數(shù)；江淮地區(qū)較高的溫濕指數(shù)(圖7a—c)和人體舒適度指數(shù)(圖7d—f)與熱浪期間該地區(qū)相對(duì)濕度高于其南北兩側(cè)地區(qū)(圖8d—f)一致。對(duì)比熱浪期間溫濕指數(shù)(圖7a)和人體舒適度指數(shù)(圖7d)分布的差異，可見(jiàn)蘇北、皖北、豫南地區(qū)站點(diǎn)溫濕指數(shù)較高但人體舒適度指數(shù)并不高，這與這些地區(qū)熱浪期間較大的風(fēng)速(圖8g)有關(guān)，風(fēng)能減緩熱浪過(guò)程中人體感受的不適。而新疆西部的喀什、和田等站點(diǎn)風(fēng)速較小，人體舒適度指數(shù)指示的人體感受較溫濕指數(shù)更不舒適。上述討論表明夏季高溫?zé)崂说难芯砍P(guān)注熱浪的發(fā)生頻數(shù)外，還應(yīng)進(jìn)一步考慮氣溫、濕度、風(fēng)等要素，綜合評(píng)估熱浪期間的環(huán)境舒適度。

圖8 1973—2018年夏季熱浪(a、d、g.干濕熱浪，b、e、h.干熱浪，c、f、i.濕熱浪)期間14時(shí)平均氣溫(填色圓圈，單位：℃；a、b、c)、平均相對(duì)濕度(填色圓圈，單位：%；d、e、f)和平均風(fēng)速(填色圓圈，單位：m·s-1；g、h、i)Fig.8 Mean air temperature (colored circle, units: ℃; a/b/c), RH (colored circle, units: %; d/e/f), and wind speed (colored circle, units: m·s-1; g/h/i) at 14:00 during summertime HW events (a/d/g. dry/wet HW, b/e/h. dry HW, c/f/j. wet HW) from 1973 to 2018

2.4 干濕型熱浪日數(shù)變化趨勢(shì)

對(duì)各站1960—2018年干/濕熱浪日數(shù)進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)分析(圖9)。使用ZC值進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)(圖9a—c)，ZC絕對(duì)值達(dá)到1.645、1.960、2.576表明變化趨勢(shì)分別通過(guò)顯著性水平為90%、95%和99%的顯著性水平檢驗(yàn)，ZC正或負(fù)表示熱浪日數(shù)增加或減少；使用β值作為衡量趨勢(shì)大小的指標(biāo)。計(jì)算各類(lèi)熱浪日數(shù)每十年的變幅如圖9d—f所示。

圖9 1960—2018年中國(guó)夏季熱浪日數(shù)(a、d.干濕熱浪日數(shù)，b、e.干熱浪日數(shù)，c、f.濕熱浪日數(shù))變化趨勢(shì)(填色圓圈；a、b、c)和變幅(填色圓圈，單位：d·(10 a)-1；d、e、f)Fig.9 Variation trend (colored circle; a/b/c) of the number of summertime HW days (a/d. the number of dry/wet HW days, b/e. the number of dry HW days, c/f. the number of wet HW days) and amplitude of variation (colored circle, units: d·(10 a)-1; d/e/f) in China from 1960 to 2018

由圖9a可見(jiàn)1960—2018年中國(guó)大部地區(qū)熱浪日數(shù)呈增加趨勢(shì)，僅河北、河南、山東、湖北、湖南一帶及新疆北部部分站點(diǎn)熱浪日數(shù)呈不顯著的下降趨勢(shì)。由α=0.1的顯著性水平來(lái)看，1960—2018年除華北南部、黃淮地區(qū)、新疆北部個(gè)別站點(diǎn)外，中國(guó)大部分站點(diǎn)熱浪日數(shù)呈上升趨勢(shì)。江蘇、浙江沿海、廣東、重慶、海南、新疆及廣西東部熱浪日數(shù)增加趨勢(shì)顯著(α=0.05)，增幅為1～5 d·(10 a)-1(圖9a、d)。長(zhǎng)江中下游地區(qū)、內(nèi)蒙古西部及新疆干熱浪日數(shù)呈增加趨勢(shì)(α=0.05)，新疆部分站點(diǎn)干熱浪日增幅達(dá)2 d·(10 a)-1(圖9b、e)；黃淮西部、江南中部和西部濕熱浪日數(shù)減少趨勢(shì)不顯著，江蘇、浙江沿海、福建沿海、廣東、海南等地濕熱浪日數(shù)顯著增加(α=0.01)，濕熱浪日增幅達(dá)1～5 d·(10 a)-1(圖9c、f)。

2.5 海陸風(fēng)對(duì)熱浪天氣的影響

海陸熱力性質(zhì)差異會(huì)導(dǎo)致海洋與陸地之間產(chǎn)生海陸風(fēng)環(huán)流[26]。熱浪發(fā)生期間通常比較穩(wěn)定的天氣形勢(shì)和比較強(qiáng)的太陽(yáng)輻射有利于海陸風(fēng)形成，并使其影響更為顯著。如在2017年7月長(zhǎng)江三角洲的熱浪天氣過(guò)程中，7月22日至24日風(fēng)向顯示靠近海洋的上海(圖10a藍(lán)色箭頭)受到海風(fēng)影響， 而偏內(nèi)陸的南京(圖10a紅色箭頭)則無(wú)明顯海風(fēng)影響。此次熱浪過(guò)程上海在大尺度環(huán)流影響下主要受南風(fēng)控制，但在 7月22日13:30至14:00(圖10a陰影)上海站可見(jiàn)明顯的海風(fēng)(東風(fēng))，7月23日(14:30至16:00)和24日(15:30至16:30)也可見(jiàn)偏東的海風(fēng)分量。海風(fēng)將海洋上空較冷而濕潤(rùn)的氣團(tuán)輸送至上海，導(dǎo)致氣溫急劇下降(圖10b)而相對(duì)濕度驟增(圖10c)，22日至24日午后均出現(xiàn)氣溫谷值和相對(duì)濕度峰值；海風(fēng)結(jié)束后氣溫顯著回升而相對(duì)濕度則明顯回落。通過(guò)靠近海洋的上海站與偏內(nèi)陸無(wú)海風(fēng)影響的南京站對(duì)比可以更清楚地看出熱浪期間海風(fēng)對(duì)上海站氣象要素的顯著影響。

圖10 2017年7月22—24日上海和南京逐時(shí)風(fēng)速風(fēng)向(風(fēng)矢表示風(fēng)速和風(fēng)向，風(fēng)速單位：m·s-1；a)、氣溫(單位：℃；b)、相對(duì)濕度(單位：%；c)、溫濕指數(shù)(THI；d)和人體舒適度指數(shù)(ICHB；e)Fig.10 Hourly wind speed and direction (wind barb for wind speed and direction, units of wind speed:m·s-1; a), air temperature (units: ℃; b), RH (units: %; c), THI (d), and ICHB (e) in Shanghai and Nanjing from 22 to 24 July 2017

通常在午后出現(xiàn)的海風(fēng)可導(dǎo)致臨海站點(diǎn)午后氣溫驟降，從而使得熱浪強(qiáng)度明顯削弱。由圖2a可見(jiàn)沿海站點(diǎn)熱浪日數(shù)比與其鄰近的內(nèi)陸站點(diǎn)少，與上述分析一致。統(tǒng)計(jì)1973—2018年夏季熱浪發(fā)生次數(shù)，靠近海洋的深圳和上海分別為12次和71次，而在偏內(nèi)陸的廣州和南京分別為112次和80次，海風(fēng)影響使得臨海站點(diǎn)熱浪發(fā)生次數(shù)明顯減少。

伴隨著午后海風(fēng)影響(圖10a)和氣溫下降(圖10b)，上海站THI和ICHB明顯降低(圖10d和圖10e)，海風(fēng)影響時(shí)段環(huán)境舒適度顯著改善。中國(guó)東部夏季熱浪天氣通常受西太平洋副熱帶高壓控制，熱浪期間大尺度環(huán)流形勢(shì)較穩(wěn)定、地面風(fēng)速較??；此種天氣背景下海陸風(fēng)的晝夜變化和影響更為顯著，伴隨著海風(fēng)出現(xiàn)的午后低氣溫有利于緩解臨海站點(diǎn)熱浪天氣的不利影響。

3 結(jié)論

本文使用1960—2018年中國(guó)476個(gè)地面氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)研究各區(qū)域夏季不同類(lèi)型熱浪天氣的時(shí)空分布特征及變化趨勢(shì)，并使用溫濕指數(shù)和人體舒適度指數(shù)對(duì)熱浪期間環(huán)境舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)論如下：

1)除新疆外，我國(guó)夏季熱浪日數(shù)呈現(xiàn)東南多、西北少的空間分布特征，其中江南地區(qū)熱浪日數(shù)最多，平均每年超過(guò)15 d。干熱浪主要發(fā)生在中國(guó)北方，西北最多，其次為黃淮和華北地區(qū)，濕熱浪主要發(fā)生在中國(guó)南方。濕熱浪期間溫濕指數(shù)和人體舒適度指數(shù)的值更高，大多數(shù)站點(diǎn)不舒適程度明顯高于干熱浪天氣。江淮地區(qū)熱浪期間環(huán)境舒適度最差，熱浪天氣對(duì)人體的不利影響更為顯著。熱浪期間蘇北、皖北、豫南地區(qū)較大的風(fēng)速可改善環(huán)境舒適度，而新疆西部喀什、和田等站點(diǎn)較小的風(fēng)速使得人體感受更不舒適。

2)江南、江漢、江淮、華北和西南地區(qū)熱浪日數(shù)在20世紀(jì)80年代以前下降而此后上升；1990年以來(lái)各地區(qū)夏季熱浪發(fā)生更為頻繁，且此趨勢(shì)近20 a以來(lái)更為突出。2000—2009年各地區(qū)干熱浪日數(shù)偏多，2010年以后江南、江漢、華南、黃淮、東北地區(qū)強(qiáng)濕熱浪發(fā)生日數(shù)增加。

3)1960—2018年期間除黃淮地區(qū)外中國(guó)大多數(shù)站點(diǎn)熱浪日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；江蘇、浙江沿海、廣東、重慶、海南、新疆及廣西東部熱浪日數(shù)增加趨勢(shì)顯著(α=0.05)，增幅為1～5 d·(10 a)-1，長(zhǎng)江中下游地區(qū)、內(nèi)蒙古西部以及新疆干熱浪日數(shù)增加(α=0.05)，新疆部分站點(diǎn)干熱浪日增幅達(dá)2 d·(10 a)-1；江蘇、浙江和福建沿海、廣東、海南等地濕熱浪日顯著增加，增幅達(dá)1～5 d·(10 a)-1。

本文統(tǒng)計(jì)分析了中國(guó)不同類(lèi)型熱浪的時(shí)空分布特征，并對(duì)熱浪期間的環(huán)境舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)熱浪天氣發(fā)生發(fā)展的過(guò)程及對(duì)應(yīng)的環(huán)境舒適度變化還有待進(jìn)一步詳細(xì)分析，今后的研究可使用數(shù)值模擬方法對(duì)熱浪的影響因素進(jìn)行更全面地分析。