1960—2020 年淮河流域高溫熱浪時空變化特征

郭超凡，袁 征，鄧童瑤，郭可欣，郭彥辰，張志高**

(1.衢州學院 商學院，浙江 衢州 324000；2.安陽工學院 數(shù)學與信息科學學院，河南 安陽 455000；3.安陽師范學院 資源環(huán)境與旅游學院，河南 安陽 455000)

21 世紀以來，全球顯著變暖，IPCC 第六次評估報告指出，全球地表溫度正以前所未有的速度上升，2011—2020 年全球平均表面溫度相比1850—1900 年上升1.09 ℃[1]，與全球氣候變暖基本一致，中國1960—2009 年均地表平均氣溫上升1.38 ℃[2].在全球變暖背景下，全球大部分陸地區(qū)域高溫熱浪等極端氣候事件發(fā)生頻率、持續(xù)時間和強度明顯增加[3]，不僅加劇農(nóng)業(yè)干旱，影響糧食產(chǎn)量，引發(fā)自然災害，對社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，而且同時增加心腦血管、呼吸系統(tǒng)等疾病的發(fā)病率，嚴重威脅人類健康[4-7].因此，高溫熱浪成為氣候變化和氣象災害研究的熱點問題之一[8-10].在空間尺度方面，沈皓俊等[11]分析了1961—2014 年中國高溫熱浪變化特征，發(fā)現(xiàn)熱浪指數(shù)在1990s 后遞增；李雙雙等[12]對近54 年京津冀地區(qū)熱浪時空變化特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)熱浪以1970s 中期為轉(zhuǎn)折，先減后增；孫藝杰等[13]探討了黃土高原干旱和熱浪事件演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)干旱和熱浪呈增加趨勢；李琪等[14]發(fā)現(xiàn)江浙滬地區(qū)高溫熱浪在1980s 后期呈增多（強）趨勢.在模型方法方面，丁婷等[15]用歐洲中期天氣預報中心的模式產(chǎn)品探討了熱浪的提前預報；王冀等[16]發(fā)現(xiàn)GFDL-CM2.0 和MIROC3.2（hires）模式對中國高溫熱浪模擬效果較佳；陳曦等[17]用濕球黑球溫度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)指數(shù)定義熱浪，定量估計了未來中國大陸地區(qū)發(fā)生熱浪事件的空間分布特征及其變化；張井勇等[18]利用高分辨率區(qū)域氣候模式（Weather Research and Forecasting model,WRF）模擬評估了陸-氣耦合對中國夏季高溫熱浪的影響，認為陸-氣耦合增加了中國的高溫熱浪.在高溫熱浪影響因素方面，陳磊等[19]認為中國西北地區(qū)大氣環(huán)流異常特征可導致其大范圍極端高溫事件；張曦等[20]研究認為湖南省高溫熱浪與南亞高壓東擴和西太平洋副高異常有關(guān)；王麗偉等[21]分析了華北—華東地區(qū)高溫熱浪與土壤濕度的關(guān)系；黃小梅等[22]研究發(fā)現(xiàn)對流層中層青藏高原以東至朝鮮半島的高壓異常可能是造成西南地區(qū)高溫熱浪偏多的原因.

淮河流域土地肥沃，交通便利，人口密集，約占全國總?cè)丝诘?3%，糧食產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的17.3%，是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，在中國經(jīng)濟社會發(fā)展中占有十分重要的地位.淮河流域地處中國南北氣候過渡帶和山區(qū)到平原的過渡帶，高溫熱浪等極端氣候事件頻發(fā)[23].現(xiàn)有淮河流域高溫熱浪方面的研究[24-25]多關(guān)注的是高溫日數(shù)或熱浪頻次的變化，而對高溫熱浪持續(xù)時間、等級劃分、有效積溫（強度）和空間分布等研究相對較少.因此，本文基于淮河流域40 個氣象站點數(shù)據(jù)資料和西太平洋副熱帶高壓環(huán)流指數(shù)，采用線性趨勢和Morlet小波分析等方法，揭示淮河流域不同等級高溫熱浪頻次、持續(xù)時間和強度的時空變化特征，為淮河流域高溫災害事件的防控和科學應對極端氣候提供參考和依據(jù).

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況淮河流域（111°55′～121°20′E，30°55′～36°20′N）西起桐柏山，東臨黃海，南以大別山、江淮丘陵為界，北以黃河南堤和泰山為界，位于長江和黃河流域之間，淮河主要流經(jīng)河南、安徽、江蘇和山東等省，流域面積約27×104km2.淮河流域地處中國南北氣候過渡帶，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫11～16 ℃，極端最高氣溫44.5 ℃，最低氣溫-24.1 ℃，氣溫由北向南、由沿海向內(nèi)陸遞增.多年平均降水量約920 mm，無霜期200～240 d.

1.2 數(shù)據(jù)來源1960—2020 年淮河流域40 個氣象站點氣象數(shù)據(jù)資料源自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http://data.cma.cn）中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集.1960—2020 年西太平洋副熱帶高壓環(huán)流指數(shù)來自國家氣候中心（http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_index_130.php）.研究區(qū)域及站點分布如圖1 所示.

圖1 淮河流域氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the Huai River Basin

1.3 研究方法參考相關(guān)資料[26]，日最高氣溫≥35 ℃為1 個高溫日，定義日最高氣溫≥35 ℃且連續(xù)3 d 以上的天氣過程為一次高溫熱浪過程，同時根據(jù)高溫日的持續(xù)天數(shù)，將高溫熱浪分為輕度、中度和重度3 個等級（表1）.此外，引入高溫有效積溫（Effective Accumulated High Temperature,EAHT）表示高溫熱浪強度，EAHT 為每日最高氣溫與35 ℃閾值之差的累積和，有效積溫越大，熱浪的危害就越大.此外，采用一元線性回歸法分析高溫熱浪的變化趨勢，采用Morlet 小波分析[27]對淮河流域高溫熱浪周期特征進行分析，運用克里金空間插值法對高溫熱浪空間變化特征進行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫熱浪等級分布特征1960—2020 年淮河流域各等級高溫熱浪頻次、平均持續(xù)時間和平均高溫有效積溫如表S1（詳見支撐附錄信息）所示.表S1 顯示，近61 年來淮河流域40 站共發(fā)生了3 444 次高溫熱浪事件，每次熱浪事件的平均持續(xù)時間為4.81 d/次，平均高溫有效積溫為7.82 ℃/次.其中，輕度熱浪2 213 次，占比64.26 %，中度和重度熱浪分別發(fā)生781 次和450 次.重度熱浪年平均持續(xù)時間和有效積溫分別為10.48 d 和21.86 ℃，遠超輕度和中度熱浪.

2.2 高溫熱浪時間變化

2.2.1 高溫熱浪頻次的時間變化 1960—2020年淮河流域高溫熱浪頻次年際變化如圖2 所示.由圖2 可知，近61 年淮河流域熱浪頻次年均值為56.46 次，2008 年最小為7 次，1967 年最大為167次.輕度熱浪頻次在6～92 次之間，年均值為36.28 次，其中1967 年最多，1980 年最少.中度熱浪頻次均值為12.80 次，1966 年最多為60 次，1999 年和2008 年最少均為0 次.重度熱浪頻次在0～41次/a 之間，年均值為7.38 次，其中1966 年最多，2008 年等14 個年份為0 次.從變化趨勢來看，近61 年來淮河流域各等級高溫熱浪頻次變化趨勢相似，在1980s 中期前呈減少趨勢，1980s 中期以后呈波動上升趨勢.

圖2 1960—2020 年淮河流域高溫熱浪頻次年際變化Fig.2 Annual variations of frequency of heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

從年代際變化來看（表S2 見支撐附錄信息），近61 年來淮河流域各等級高溫熱浪呈現(xiàn)先減少后上升的趨勢，1960s 熱浪次數(shù)最多為79.10 次，之后熱浪次數(shù)逐漸減少，1980s 最少為30.70 次，隨后逐漸上升，2010s 升至77.55 次.

2.2.2 高溫熱浪持續(xù)時間變化 1960—2020 年淮河流域平均熱浪持續(xù)時間變化如圖3 所示.由圖3 可知，近61 年淮河流域高溫熱浪持續(xù)時間年均值為6.79 d/次，1966 年最長為24.35 d/次，2008年最短為0.60 d/次.與熱浪頻次變化趨勢相似，近61 年來淮河流域高溫熱浪持續(xù)時間在1980s 中期前呈減少趨勢，1980s 中期以后呈波動上升趨勢.

圖3 1960—2020 年淮河流域平均高溫熱浪持續(xù)時間變化Fig.3 The variation of average days of heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

從年代際變化來看（表S2 見支撐附錄信息），1960 年代持續(xù)時間最長為10.73 d，之后熱浪次數(shù)逐漸減小，1980 年代最短為3.45 d，隨后逐漸上升，2010 年代為9.55 d.

2.2.3 高溫熱浪平均有效積溫的時間變化 1960—2020 年淮河流域高溫熱浪年平均有效積溫變化如圖4 所示.由圖4 可知，近61 年淮河流域年平均有效積溫均值為11.04 ℃，2008 年最小為0.59 ℃，1966 年最高為61.06 ℃.與熱浪頻次和持續(xù)時間的變化趨勢相似，年有效積溫在1980s 中期前呈減少趨勢，1980s 中期以后呈波動上升趨勢.

圖4 1960—2020 年淮河流域高溫熱浪平均有效積溫變化Fig.4 The variation of average effective accumulated high temperature of heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

從年代際變化來看（表S2 見支撐附錄信息），近61 年來淮河流域高溫熱浪年平均有效積溫呈先減少后上升的趨勢，1960s 有效積溫最高為20.78 ℃/a，之后逐漸減小，1980s 最小為5.40 ℃/a，隨后逐漸上升，2010s 升至14.52 ℃/a.

2.3 高溫熱浪的周期變化特征1960—2020 年淮河流域高溫熱浪頻次、有效積溫和持續(xù)時間的Morlet 小波分析結(jié)果如圖5 所示.從圖5（a）可以看出，高溫熱浪頻次存在9、13、20 a 和27 a 左右的周期變化規(guī)律.其中，20 a 的周期最為明顯且具有全域性；9 a 周期主要體現(xiàn)在1990 年之前；13 a 周期集中體現(xiàn)在1985 年之后；27 a 主要體現(xiàn)在1979年之后.如圖5（b）所示，熱浪頻次的小波方差在9、13、20 a 和27 a 處存在明顯的峰值，其中20 a 處峰值最大，為第1 主周期.27、13 a 和9 a 分別為其第2、3、4 主周期.

圖5 1960—2020 年淮河流域高溫熱浪頻次周期、持續(xù)時間周期和有效積溫周期變化特征Fig.5 Periodic variation characteristics of frequency,duration days and effective temperature of heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

從圖5（c）可以看出，高溫熱浪持續(xù)時間存在4 個周期變化，分別為9、13、20 a 和27 a 左右.其中，20 a 左右的周期具有全域性；8、13 a 和27 a 周期分別集中體現(xiàn)在1990 年前、1985 后及1988 年后.如圖5（d）所示，熱浪持續(xù)時間的小波方差分別在9、13、20 a 和27 a 處存在明顯的峰值，其中20 a處峰值最大，為第1 主周期.27、13 a 和9 a 分別為其第2、3、4 主周期.

從圖5（e）可以看出，高溫熱浪有效積溫存在顯著的9、20 a 和27 a 左右的周期變化規(guī)律.其中，20 a 周期正負交替最為顯著，且具有全域性；9 a 周期主要存在于1978 年前，1978 年后27 a 周期較為明顯.由小波方差圖5（f）可知，有效積溫的小波方差分別在9、20 a 和27 a 處存在明顯的峰值，其中20 a 處峰值最大，為第1 主周期.27 a 和9 a 分別為其第2、3 主周期.

2.4 高溫熱浪的空間變化特征

2.4.1 高溫熱浪累計頻次 1960—2020 年淮河流域不同等級高溫熱浪累計頻次空間分布如圖6所示.由圖6 可知，輕度熱浪累計頻次為1～96 次，呈西多東少的分布特征.其中，流域西部寶豐、許昌、永城和鄭州等地累計頻次在91 次以上；流域東北部日照、莒縣和贛榆等地最少，累計頻次在15 次以下；東南部大豐、東臺、如皋和高郵等地累計頻次為24～38 次.中度熱浪累計頻次為0～41 次，也呈西多東少的分布特征.其中，流域西南部六安、駐馬店和霍山等地最高，累計頻次在40次以上；流域東北部日照、沂源、莒縣和贛榆等地最少，累計頻次在6 次以下.重度熱浪累計頻次為0～33 次，呈西南多東北少的分布特征.其中，流域西南部六安和霍山等地最高，累計頻次在28 次以上；流域東北部日照、莒縣和贛榆等地累計頻次均為0 次；東南部大豐、如皋、東臺和高郵等地累計頻次為7～11 次.

圖6 1960—2020 年淮河流域不同等級高溫熱浪累計頻次空間分布Fig.6 Spatial distribution of cumulative frequency for different level heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

1960—2020 年淮河流域高溫熱浪累計頻次總和及其趨勢的空間分布如圖7 所示.由圖7（a）可知，近61 年來，淮河流域高溫熱浪累計頻次總和為1～163 次，呈西多東少的分布特征.其中，流域西南部六安、駐馬店和霍山等地累計頻次在144 次以上，流域東北部日照、莒縣、沂源和贛榆等地最少，累計頻次在20 次以下.由圖7（b）可知，高溫熱浪累計頻次總和的傾向率為-0.21～0.28 次/10 a，呈西小東大的分布特征.其中，阜陽等流域西部地區(qū)14 個站點傾向率為負，高溫熱浪累計頻次呈減少趨勢；高郵等東部地區(qū)26 個站點傾向率為正，累計頻次呈增加趨勢.阜陽、寶豐和開封等地最小，累計頻次為-0.21～0.11 次/10 a，東南部阜寧、如皋和高郵等地最大，累計頻次為0.13～0.28 次/10 a.

圖7 1960—2020 年淮河流域高溫熱浪累計頻次空間分布及變化趨勢Fig.7 Spatial distribution and variation trend of cumulative frequency of heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

2.4.2 高溫熱浪持續(xù)時間和高溫有效積溫 由圖8（a）可知，高溫熱浪持續(xù)時間為0.07～15.44 d/次，呈西多東少的分布特征.其中，流域西南部六安和霍山等地最多，持續(xù)時間為13.69～15.44 d/次；流域東北部日照、莒縣、沂源和贛榆等地最少，持續(xù)時間為0.07～1.31 d/次；東南部大豐、如皋、東臺和高郵等地持續(xù)時間為3.26～5.64 d/次.由圖8（b）可知，從熱浪持續(xù)時間的變化趨勢來看，傾向率在-1.15～1.62 d/10 a.其中，阜陽等20 個站點傾向率為負，大多位于流域西部地區(qū)，次均持續(xù)時間呈減少趨勢；高郵等東部地區(qū)20 個站點傾向率為正，次均持續(xù)時間呈增加趨勢.阜陽、蚌埠和商丘等地最小，傾向率為-1.15～0.74 d/10 a，東南部如皋和高郵等地最大，傾向率為0.77～1.62 d/10 a.

由圖8（c）可知，淮河流域年平均有效積溫為0.08～31.83 ℃，呈西高東低分布特征.其中，流域西南部六安和霍山等地最大，年平均有效積溫為23.87～31.83 ℃；流域東北部日照、莒縣、沂源和贛榆等地最少，年平均有效積溫為0.08～1.71 ℃；東南部大豐、如皋、東臺和高郵等地年平均有效積溫為3.95～7.43 ℃.由圖8（d）可知，從有效積溫的變化趨勢來看，傾向率在-3.06～2.51 ℃/10 a，商丘等28 個站點傾向率為負，大多位于流域西部地區(qū)，有效積溫呈減少趨勢；高郵12 個站點傾向率為正，大多位于流域東部地區(qū)，有效積溫呈增加趨勢.商丘、蚌埠和阜陽等地傾向率最小在-3.06～-2.43 ℃/10 a，東南部如皋和高郵等地傾向率最大在1.14～2.51 ℃/10 a.

2.5 高溫熱浪的環(huán)流背景分析大氣環(huán)流是形成和制約區(qū)域氣候的重要因子，淮河流域位于我國東部地區(qū)，其高溫熱浪的發(fā)生和維持深受西太平洋副熱帶高壓的影響[12].因此，本文選取西太平洋副高面積指數(shù)、強度指數(shù)、脊線位置和西伸脊點指數(shù)，采用相關(guān)分析研究其對淮河流域高溫熱浪的關(guān)系.

由表S3（見支撐附錄信息）可知，1960—2020年西太平洋副高各指數(shù)與淮河流域高溫熱浪頻次相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為西太副高面積、強度和脊線位置與高溫熱浪頻次呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.10、0.10 和0.12，而西太副高西伸脊點指數(shù)與高溫熱浪頻次呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.06.其中，西太副高脊線位置與高溫熱浪頻次相關(guān)系數(shù)通過了0.05 的顯著性檢驗，兩者呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明西太副高脊線位置顯著影響淮河流域高溫熱浪頻次.

3 討論和結(jié)論

3.1 討論本研究基于1960—2020 年淮河流域40 個氣象站點逐日最高氣溫資料，對淮河流域高溫熱浪時空變化特征進行了分析.在全球變暖背景下，淮河流域高溫熱浪具有顯著的趨勢轉(zhuǎn)變，1960s 高溫熱浪最多最強，1960s～1980s 中期呈減少（弱）趨勢，此后呈增多（強）趨勢，這與前人研究結(jié)果[20,24]一致.這可能與1980s 后全球氣候增暖[12]和改革開放后城市化進程加快等導致的城市熱島效應有關(guān)[28].61 年來淮河流域高溫熱浪頻次、時間和強度呈西多（強）東少（弱）分布特征，流域西南部六安和霍山等地熱浪最強，流域東北部熱浪較弱，這與前人對淮河流域的研究[24]一致.從變化趨勢來看，淮河流域西部高溫熱浪呈減少（弱）趨勢，東部呈增多（強）趨勢，未來流域東部地區(qū)更應加強高溫災害事件的防控和應對.

本研究未涉及淮河流域高溫熱浪深層次的成因和機理，西太平洋副高等環(huán)流因子、土地利用/覆被變化和城市化對高溫熱浪的影響，以及高溫熱浪對區(qū)域社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的影響還有待進一步研究.

3.2 結(jié)論（1）1960—2020 年淮河流域共發(fā)生了3 444 次高溫熱浪事件，熱浪平均持續(xù)時間為4.81 d/次，年平均有效積溫為7.82 ℃.其中，輕度熱浪發(fā)生最多，占比64.26 %，重度熱浪年平均持續(xù)時間最長達10.48 d，強度也最大為21.86 ℃.

（2）近61 年來淮河流域各等級高溫熱浪具有顯著的階段性特征，熱浪頻次、持續(xù)時間和強度變化特征相似.1980s 中期以前呈減少（減弱）趨勢，此后呈增多（增強）趨勢；1960s 淮河流域高溫熱浪最多最強，年平均熱浪頻次、持續(xù)時間和熱浪強度分別為79.10 次、10.73 d/次和20.78 d/次.

（3）Morlet 小波分析表明淮河流域高溫熱浪主周期變化為20 a，次周期為27 a 和9 a.

（4）高溫熱浪頻次、持續(xù)時間和強度的空間分布特征相近，呈西多（強）東少（弱）趨勢.淮河流域西南部形成高值中心，東北部為低值中心.從變化趨勢來看，流域西部熱浪頻次、持續(xù)時間和強度呈減少（弱）趨勢，東部呈增多（強）趨勢.