城市高溫災(zāi)害性天氣影響分析與危害評估*——以長春市為例

范碧航，李寧，張繼權(quán)，郭立

(1.地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京師范大學(xué))，北京100875;2.民政部/教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京100875;3.東北師范大學(xué)自然災(zāi)害研究所，吉林長春130024)

目前國內(nèi)外對高溫災(zāi)害性天氣的影響及危害的評估研究主要集中在產(chǎn)生高溫天氣的主要原因“城市熱島”效應(yīng)的機(jī)制和減緩對策方面的研究。在高溫災(zāi)害性天氣影響和危害評估方面缺乏科學(xué)、客觀、綜合的評估指標(biāo)體系。國內(nèi)的氣象學(xué)者對高溫天氣的研究已取得了一些有意義的成果，如張尚印[1]、項(xiàng)素清等[2]對中國東南部城市和區(qū)域高溫天氣的氣候規(guī)律做出了研究，張金峰[3]等利用哈爾濱探空站資料對哈爾濱市高空氣候變暖進(jìn)行分析，張書娟[4]等以≥35℃的年高溫天數(shù)作為量化指標(biāo)來對高溫災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)，也有針對華南、廣東等城市的氣候變化、夏季異常高溫天氣的氣候背景及成因進(jìn)行研究。但這些研究有的所采用的氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列的長度偏短，有的沒有結(jié)合不同城市的不同地理環(huán)境及城市中相關(guān)生命線的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和綜合。現(xiàn)有研究范圍多為全國尺度或以某些南方城市為代表，而統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)高溫災(zāi)害性天氣對北方城市的影響更為嚴(yán)重，如張晶晶[5]等研究發(fā)現(xiàn)，中國所有區(qū)域平均氣溫在1990年代都呈現(xiàn)顯著升高趨勢，平均氣溫對全球變暖的影響具有35°N以北比以南地區(qū)變暖更為顯著的特點(diǎn)。

1 研究區(qū)概況及高溫災(zāi)害性天氣的界定

1.1 研究區(qū)概況

長春是吉林省省會(huì)所在地，其地理坐標(biāo)為43°05'～45°15'N，124°18'～127°02'E，南北距離217.5 km，東西長227 km，幅員18 881 km2，處于吉林省東部。截止目前，長春市轄區(qū)面積4 789 km2(長春市總面積20 604 km2)，市轄區(qū)人口為360.9萬人(長春市總?cè)丝?52.5萬)，與1990年代相比，增加了近100萬人。

就經(jīng)濟(jì)的總體情況而言，長春已連續(xù)近20年保持了GDP兩位數(shù)以上的發(fā)展速度。2009年，長春的經(jīng)濟(jì)總量、固定資產(chǎn)投資、財(cái)政收入和工業(yè)總產(chǎn)值分別實(shí)現(xiàn)了15%、30%、20%和20%以上的增長，這四項(xiàng)主要指標(biāo)的增幅在全國省會(huì)城市中都位居榜首?？梢哉f，長春正處在工業(yè)化、城市化的高潮期。

1.2 高溫災(zāi)害性天氣

根據(jù)中國氣象部門規(guī)定，中國高溫災(zāi)害性天氣的標(biāo)準(zhǔn)為:對長城以南，最高氣溫38℃，或者最高氣溫達(dá)到35℃，同時(shí)絕對濕度34 hPa;對于長城以北，最高氣溫36℃，或者最高氣溫達(dá)33℃，同時(shí)絕對濕度32 hPa。但是根據(jù)對研究區(qū)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，上述這種對高溫災(zāi)害性天氣的評價(jià)，并不適用于中國北方地區(qū)，不能做到因地制宜，因此本文將統(tǒng)計(jì)資料先按照30℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃和38℃這7個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)劃分，最終根據(jù)結(jié)果對長春市進(jìn)行高溫災(zāi)害性天氣等級的評估。

2 城市高溫天氣變化特征分析

2.1 長春市高溫天氣日數(shù)的年代變化特征

圖11951 －2007年長春市(日T≥32℃)高溫日數(shù)及持續(xù)高溫天數(shù)的年變化圖

統(tǒng)計(jì)資料表明(表1)，日T≥32℃高溫天氣在長春市的夏季還是很常見的，在1950、1960及1990年代高溫天氣出現(xiàn)較多，比1970、1980年代多出近一倍。日T≥34℃的高溫天氣同樣在1950、1960及1990年代以及2000年以后出現(xiàn)較多，其中1960年代最多，平均每年有1.8 d。日T≥36℃的高溫天氣共出現(xiàn)了6次。日T≥38℃的高溫天氣只在1950年代出現(xiàn)過一次。從圖1和表1中篩選出極端高溫及連續(xù)高溫個(gè)例如下:

①日T=38℃，出現(xiàn)在1951年7月9日;

②日T=36.7℃，出現(xiàn)在2001年6月4日;

③連續(xù)9 d高溫天氣，出現(xiàn)在1952年7月15日－7月23日;

④連續(xù)7 d高溫天氣，出現(xiàn)在2007年6月21日－6月27日。

表1 長春市各年代不同等級高溫天氣統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)1981－2007年長春市各月份的高溫天氣(T≥32℃)日數(shù)分布(圖2)。從圖中可以看出，長春市高溫天氣集中出現(xiàn)在6、7、8三個(gè)月份，其中6月份最多，共59 d。年平均出現(xiàn)2.19 d。

圖2 1981－2007年長春市高溫日數(shù)(≥32℃)月份分布圖

2.2 長春市氣候變暖趨勢分析

分析長春市1951－2008年平均氣溫距平序列(圖3)，可知1951－2008年長春市氣溫變暖趨勢明顯，平均上升了2.7℃。這58年的溫度變化率為0.46℃/10 a，高于深圳市1953－2005年間溫度變化率0.31℃/10 a[6]，同時(shí)高于全國近54年溫度平均變化率0.25℃/10 a[7]。這表明北方城市氣候變暖趨勢較南方城市顯著，因此由氣候變暖所帶來的一系列影響甚至災(zāi)害也更加值得關(guān)注。

正交匹配追蹤算法（OMP）對目標(biāo)向量的分解更稀疏且收斂速度較快，因此，文中采用正交匹配追蹤算法對稀疏表示系數(shù)進(jìn)行求解。

圖3 長春市1951－2008年平均氣溫距平序列

進(jìn)一步分析長春市各年代的平均氣溫距平(表2)，1980年代增溫最為明顯，增幅開始增大。在1990年以前，長春市平均氣溫距平為負(fù)值，從1990年代起長春市平均溫度距平開始為正值，且每一年代氣溫正距平年數(shù)所占比例逐年增大。這足以說明長春市氣溫變暖趨勢越來越嚴(yán)重，增幅越來越明顯。

表2 長春市1951－2008各年代平均氣溫距平及氣溫正距平年數(shù)

城市氣候變暖的原因非常復(fù)雜，如城市熱島效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致極端高溫事件頻次增加[8]。而無論如何，不可否認(rèn)的是人類活動(dòng)與城市化進(jìn)程的加劇對城市氣溫變化有著重要的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查1990年，長春市總?cè)丝?37.8萬人，其中，非農(nóng)業(yè)人口232.7萬人，城市化率為36.48%，市區(qū)人口為211萬人，非農(nóng)業(yè)人口為167.93萬人，市區(qū)內(nèi)的城市化率高達(dá)79.59%。至2005年底長春市總?cè)丝谶_(dá)到730.5萬人，其中，非農(nóng)業(yè)人口321.07萬人，城市化率已經(jīng)達(dá)到43.95%，與1990年相比，城市化率增長7.47%，長春市城市化發(fā)展速度大幅度提高。同時(shí)長春市城市擴(kuò)張也在水平和垂直方向上同時(shí)進(jìn)行。從1998年的145 km2增加到2004年的192.74 km2;市區(qū)建設(shè)用地規(guī)模也由1980年的104 km2增加到2004年的261.96 km2。

因此，將1984－2008年長春市人口、GDP變化與該時(shí)間段長春市平均最高氣溫變化進(jìn)行對比(圖4、圖5)，旨在初步分析長春市氣候變暖趨勢。由圖可知，長春市平均最高氣溫的線性變化趨勢與長春市人口、GDP的線性變化趨勢基本一致。這表明長春市人口數(shù)量的激增與城市的快速發(fā)展，及城市化進(jìn)程的不斷加劇是其氣候變暖趨勢明顯的主要原因之一。

圖4 長春市平均最高氣溫與人口的關(guān)系

圖5 長春市平均最高氣溫與GDP的關(guān)系

3 城市高溫災(zāi)害性天氣影響及危害評估

3.1 長春市不同等級高溫天氣頻數(shù)及頻率統(tǒng)計(jì)

利用長春市1951－2007年氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不同等級高溫天氣出現(xiàn)的頻數(shù)及頻率(表3)。從表中可以看出，長春市的高溫災(zāi)害性天氣主要集中在32℃，占總年數(shù)的80%。出現(xiàn)大于38℃的天氣僅有1年，頻率為2%。

表3 1951－2007年長春市不同等級高溫的頻數(shù)及出現(xiàn)概率統(tǒng)計(jì)表

3.2 長春市高溫災(zāi)害性天氣異常及持續(xù)等級評估

統(tǒng)計(jì)長春市1951－2007年不同溫度區(qū)間出現(xiàn)的次數(shù)及平均重現(xiàn)周期(表4)，針對該統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以將長春市的高溫災(zāi)害性天氣分為4個(gè)等級，歸納如下:

(1)一般性高溫災(zāi)害性天氣:最高氣溫≥32℃，較為常見。

(2)較嚴(yán)重高溫災(zāi)害性天氣:最高氣溫≥34℃，1～3年一遇。

(3)嚴(yán)重高溫災(zāi)害性天氣:最高氣溫≥36℃，18～28年不遇。

(4)特嚴(yán)重高溫災(zāi)害性天氣:最高氣溫≥38℃，50年不遇。

表4 長春市不同溫度范圍出現(xiàn)頻次及平均重現(xiàn)周期

針對長春市1951－2007年不同溫度區(qū)間的平均重現(xiàn)周期，同樣可以將長春市高溫災(zāi)害性天氣分為4個(gè)等級，歸納如下:

(1)一般性連續(xù)高溫災(zāi)害性天氣，1～2 d。(2)持續(xù)性高溫災(zāi)害性天氣，3～4 d。

(3)較嚴(yán)重的持續(xù)性高溫災(zāi)害性天氣，5～6 d。

(4)嚴(yán)重持續(xù)性高溫災(zāi)害性天氣，≥7 d。

3.3 長春市高溫災(zāi)害性天氣影響及危害等級評估

經(jīng)過上述對長春市50余年的高溫災(zāi)害性天氣做出的分析，并結(jié)合高溫災(zāi)害性天氣對居民的生產(chǎn)、生活所造成的影響，可以將長春市高溫災(zāi)害性天氣及其影響和危害作如下評估:

(1)一般高溫災(zāi)害性天氣:最高氣溫達(dá)32℃的高溫天氣或連續(xù)高溫1～2 d。用電、水量快速增加，室外工作受影響，有一定的危害。

(2)較嚴(yán)重高溫災(zāi)害性天氣:最高氣溫達(dá)34℃的高溫天氣或連續(xù)高溫天氣3～4 d。用電負(fù)荷快速增加，用電量增幅明顯，可能導(dǎo)致某些居民區(qū)的供電故障，用水量快速增加。

(3)嚴(yán)重高溫災(zāi)害性天氣:最高氣溫達(dá)36℃以上或連續(xù)高溫天氣5～6 d。用電負(fù)荷猛增，比同期增幅高出10%以上，或創(chuàng)造歷史紀(jì)錄，會(huì)導(dǎo)致大量居民區(qū)供電故障，中暑患者明顯增多，用水量大，水資源出現(xiàn)匱乏。

(4)特嚴(yán)重高溫災(zāi)害性天氣:最高溫度達(dá)到38℃以上或連續(xù)高溫天氣≥7 d。用電負(fù)荷嚴(yán)重超標(biāo)，拉閘限電、工廠停工，大量居民區(qū)用電故障，中暑患者明顯增多，用水量大，水資源匱乏。

對于上述等級評估，可以根據(jù)不同城市的具體情況做出適當(dāng)調(diào)整后，應(yīng)用在北方地區(qū)其他城市。

3.4 高溫災(zāi)害性天氣對城市供電的影響

2008年長春市高溫天氣非常嚴(yán)重，出現(xiàn)時(shí)間較往年有所提前，已構(gòu)成城市高溫災(zāi)害性天氣。最高氣溫出現(xiàn)在6月16日，達(dá)到33.6℃。在此期間，長春市市區(qū)供電量較往年同期出現(xiàn)大幅度增加，如6月16日供電量為20 500 MWh，17日供電量達(dá)到20 901.25 MWh。據(jù)調(diào)查研究顯示，這一期間內(nèi)，長春市市區(qū)多處線路出現(xiàn)跳閘、強(qiáng)送不良現(xiàn)象。有些居民區(qū)出現(xiàn)不同程度的停電、斷電等現(xiàn)象，對人們的生產(chǎn)、生活均造成了嚴(yán)重的影響和危害。

利用吉林省電力局提供的數(shù)據(jù)分析2008年長春市6－8月日供電量、日平均電力與溫度的關(guān)系(圖6、圖7)。從圖中可以看出，6月9－17日溫度持續(xù)升高，而供電量也相應(yīng)的呈上升趨勢。

圖6 2008年長春市日最高溫度與日供電量關(guān)系

圖7 2008年長春市6－8月日平均溫度與日平均電力關(guān)系

4 結(jié)語

(1)長春市高溫日數(shù)在1950年代初期及1960年代相對較多，從1970年代起至今，長春市高溫日數(shù)呈現(xiàn)出遞增的趨勢，而高溫日數(shù)的增加往往伴隨著持續(xù)高溫日數(shù)的增加。這種現(xiàn)象應(yīng)該與全球氣溫變暖的大背景以及城市化進(jìn)程加快、城市規(guī)模的增大密不可分。同時(shí)長春市高溫災(zāi)害性天氣主要發(fā)生在6、7、8三個(gè)月份，其中6月份出現(xiàn)的高溫天氣日數(shù)最多。

(2)研究發(fā)現(xiàn)，作為北方城市的代表，長春市1951－2008年的氣候變暖趨勢明顯，這58年的溫度變化率為0.46℃/10 a，高于全國近54年溫度平均變化率0.25℃/10 a，甚至高于南方深圳市1953－2005年間溫度變化率0.31℃/10 a，因此可以判斷全球變暖的大趨勢對北方高緯度地區(qū)的影響更加明顯，而由于這種較明顯的溫度升高對北方城市生產(chǎn)生活，農(nóng)作物生長等帶來的變化和影響值得我們關(guān)注。

(3)1984－2008年長春市氣溫隨時(shí)間的線性變化與長春市人口數(shù)量、GDP隨時(shí)間的線性變化趨勢較一致，這表明長春市的快速發(fā)展是長春市氣溫變暖的原因之一。這種城市化進(jìn)程的加快勢必對城市氣溫造成影響，而這是否是造成長春市氣溫變暖的主要原因，還有待研究分析。

(4)將北方城市高溫災(zāi)害性天氣劃分為一般災(zāi)害性、較嚴(yán)重災(zāi)害性、嚴(yán)重災(zāi)害性及特嚴(yán)重高溫災(zāi)害性天氣4個(gè)等級，對每個(gè)等級下的天氣狀況，城市供水、供電特征均進(jìn)行總結(jié)歸納。這種劃分方式相對于中國對高溫天氣的界定更為符合中國北方城市的氣候狀況，便于對北方城市的高溫災(zāi)害性天氣等級進(jìn)行更為準(zhǔn)確的描述和判斷。

(5)長春市供電量的整體趨勢與溫度的高低走勢是相吻合的。這說明溫度的高低變化對城市供電系統(tǒng)有著重要的影響。高溫天氣加大了城市生產(chǎn)生活對電的要求，同時(shí)也加大了城市供電系統(tǒng)的負(fù)荷，這種變化容易造成用電故障、用電危機(jī)等突發(fā)狀況，在一定程度上對城市供電系統(tǒng)造成影響與危害。

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