基于體感溫度的中國戶外高溫風險分布研究

楊文婷 王汶

中國人民大學環(huán)境學院地理空間信息研究中心,北京 100872

1 引言

氣候變化已經(jīng)成為影響人類與自然系統(tǒng)平衡的主要因素之一（武夕琳等,2019），由氣候變化導致的極端高溫熱浪事件的發(fā)生頻率、持續(xù)時間和強度很可能也會不斷增加（陳曦等,2020）。Gover（1938）研究了美國不同地區(qū)6月、7月、8月高溫與死亡率的關系，為熱傷害相關的研究奠定基礎。此后，關于高溫風險的研究大多選擇以溫度作為單一變量去描述高溫情況（賀山峰等,2010;Cowan et al.,2014;張嘉儀和錢誠,2020）。國內(nèi)以35°C作為高溫天氣的閾值，但高溫是一個連續(xù)天氣過程（談建國,2008），對人的影響有滯后性，因此不能僅以35°C為標準（胡莉梭,2016）。因此，也有不少學者利用百分位指數(shù)法（Hu et al.,2017,沈皓俊等,2018），將最高氣溫的90%分位數(shù)作為高溫的閾值，以此來評估高溫特征。隨著遙感技術的發(fā)展，有學者融合氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，對城市高溫風險進行評估（何苗等,2017;周洋等,2018）。以上研究或未考慮到其他氣象因素對高溫風險的影響或從某個城市抗風險角度出發(fā)，未考慮到人體熱感受。但對于戶外人群（戶外工作者、運動員等）來說，高溫風險分級、分布和時長對于戶外人群的生命健康至關重要。處于戶外熱環(huán)境的人群會受到多種氣象因素的綜合作用，濕球黑球指數(shù)（Wet-Bulb Globe Temperature,WBGT）（Yaglou and Minard,1957）是最早綜合考慮溫度、濕度、風速和輻射的熱舒適模型，但該模型中輻射（即黑球溫度）的數(shù)值需要儀器測量，由于輻射是一個動態(tài)的變量，在計算中常不考慮輻射這項因素。國內(nèi)外后續(xù)的研究使用其簡化的模型（Watts et al.,2018;陳曦等,2020）忽略輻射的影響。處于戶外熱環(huán)境中的人群不可避免的會受到氣溫、濕度、風速和輻射的影響?？傮w來說，在暖季，氣溫、濕度、輻射都對人體的熱感受增加熱應力，而風會提高人體的熱舒適，降低熱風險。

因此，本文基于前人的研究基礎，選擇一種基于人體熱量平衡的體感溫度模型，綜合溫度、濕度、風速和輻射模擬體感溫度，對中國高溫風險進行熱等級劃分。利用21世紀初20年（2000～2019年）暖季（5月1日至10月31日）的日值數(shù)據(jù)，經(jīng)過空間克里金插值計算，分析中國高溫空間的變化特征。綜合氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)對不同時期的體感溫度進行熱風險等級劃分，利用ArcGIS等軟件將結果制成1 km空間分辨率的地圖，精細表現(xiàn)各地的高溫風險差異，再利用重分類及像元統(tǒng)計等方法，估計各地具有熱風險的天數(shù)。本文結果能為政府相關部門、企業(yè)和戶外工作者制定更有效地防暑措施、提供高溫預警服務、保護人身安全、財產(chǎn)安全提供科學的依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文采用氣象站點數(shù)據(jù)，中國行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)是從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上下載的2000～2019年20年的日值氣溫（平均氣溫和最高氣溫）、平均地表溫度、相對濕度和風速數(shù)據(jù)。經(jīng)過篩選，剔除數(shù)據(jù)缺失和質(zhì)量控制碼不符的氣象站，一共選用657個站點，利用python對20年的日值數(shù)據(jù)進行均值運算，得到多年平均日值數(shù)據(jù)。利用ArcGIS根據(jù)站點經(jīng)緯度進行可視化后，站點的分布如圖1所示。

圖1 中國氣象站點分布Fig.1 Distribution of weather stations in China

遙感數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）數(shù)據(jù)和輻射數(shù)據(jù)。中國DEM數(shù)據(jù)來自資源與環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=123[2021-03-11]），該 數(shù) 據(jù) 來源于美國奮進號航天飛機的雷達地形測繪 （Shuttle Radar Topography Mission,SRTM）數(shù)據(jù)，經(jīng)過重采樣，具有較好的精度。

輻射數(shù)據(jù)為全球陸表特征參量（The Global Land Surface Satellite,GLASS）日間凈輻射產(chǎn)品 （Jiang et al., 2016）（http://www.glass.umd.edu/[2021-03-11]），空間范圍為全球，時間范圍為2000～2018年，產(chǎn)品以HDF-EOS形式存儲，空間分辨率為5 km，時間分辨率為1 d，產(chǎn)品單位W/m2，有效值范圍-300～600。

2.2 方法

本文將研究時間5月1日至10月31日定義為暖季。利用ArcGIS的重采樣工具，將經(jīng)過克里金插值后的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一為分辨率1 km的柵格數(shù)據(jù)，以精細化地表現(xiàn)局部地區(qū)的具體氣候情況。在時間尺度上，本文利用天和侯（5 d）兩種時間尺度，分別對應單要素的高溫特征和基于體感溫度的高溫特征，但為了結果更清楚，將天尺度和侯尺度結果利用重分類、和疊加操作，最終結果以月尺度呈現(xiàn)。

2.2.1 氣象數(shù)據(jù)插值

氣象參數(shù)與地形有著密切的聯(lián)系，其中高程對氣象參數(shù)的影響最為顯著。氣象參數(shù)的空間插值方法為克里金插值，對插值后的結果以地形因子來修正，可以提高氣象要素的空間化精度（李軍,2006）。

（1）溫度插值

先將溫度統(tǒng)一在1000 m的虛擬的海平面上，再利用DEM數(shù)據(jù)和虛擬海平面的溫度，在ArcMap中利用柵格計算器計算出經(jīng)過DEM校正之后的溫度：

其中，T為某一海拔處的溫度，Tl為站點溫度，Ei為i點的海拔高度，Ek為k點的海拔高度，A為平均環(huán)境溫度垂直遞減率，取常數(shù)0.0065°C/m（潘耀忠等,2004）。計算虛擬海平面溫度時，Ei為氣象站點高度，Ek為1000 m的虛擬海平面高度，T為虛擬海平面的溫度。經(jīng)過空間插值之后，在ArcGIS的柵格計算器中再利用此公式，計算基于DEM的溫度，此時Ei為DEM的數(shù)值，Ek為1000 m，T為經(jīng)過DEM校正之后的溫度。

（2）相對濕度插值

同理，對相對濕度插值時需要考慮溫度和高程的影響，某一高程的相對濕度可以由以下公式計算 （王汶和魯旭,2009）：

其中，r0為地表相對濕度；t0為地表溫度（單位：°C），tz為高度z處的溫度（單位：°C）；βz為常數(shù)，自由大氣中取βz=1/5000 m-1。

（3）風速插值

不同的下墊面可以得出不同的垂直高度與風速的變量方程，在實際應用中，一般采用沿襲已久的經(jīng)驗指數(shù)公式（史同廣等,2007）：

其中，u、u1分別為距地面高度z、z1處的風速，m為風隨高度變化指數(shù)，其取值由下墊面特征確定，一般介于1/2～1/8之間。

2.2.2 體感溫度計算

體感溫度（Apparent Temperature,AT）是由美國生物氣象學家Steadman（1984）提出的，它以人體熱量平衡為基礎，也被稱為視溫度。Steadman于1971年提出氣溫低于0°C時的風寒指數(shù)（Windchill），之后又于1979年提出了氣溫高于25°C時的熱阻指數(shù)（ Thermal-resistance）（Steadman, 1979a,1979b），在此研究基礎上提出了適用于更大溫度區(qū)間的普適模型，也就是體感溫度模型（Steadman,1984）。Steadman在不同環(huán)境下通過實驗與調(diào)查得到可供室內(nèi)、室外有遮蔽、室外無遮蔽下廣泛適用的AT模型，并討論了不同條件下輻射、風速、濕度對體感溫度的影響。在氣溫-40～50°C范圍內(nèi)進行人體試驗并通過統(tǒng)計分析模擬了體感溫度的簡化計算模型。他利用AT模型評估了澳大利亞夏季中午室外的體感舒適程度（Steadman,1994），提出了人體對周圍環(huán)境實際感受的熱量指標，指標為客觀環(huán)境變量：溫度、濕度、風速、輻射，實現(xiàn)了體感溫度的空間變化，且AT值的單位為°C，與國內(nèi)溫度通用單位一致，便于理解。

其中，Ta為干球溫度（單位：°C），v為風速（單位：m/s），Q為凈輻射（單位：W/m2），水汽壓 （單位：hPa）

其中，rh為相對濕度。

戶外體感溫度會受到多方面的影響，氣溫直接影響人體對熱環(huán)境的判斷；同時濕度、風速和輻射的變化，會在同樣的氣溫條件下，對體感溫度產(chǎn)生不同的結果（Giannopoulou et al.,2014）。當前研究多討論濕度和溫度的綜合響應，這兩項也是影響體感溫度最主要的因素（Ballester et al.,1997）。在正常情況，當人體所處環(huán)境溫度高于自身皮膚溫度時，向外散失熱量的過程受阻，而感覺到熱。外界溫度越高，人體熱的感覺越強，受到的熱風險越高。濕度通常與氣溫結合對人體產(chǎn)生綜合影響，在溫度較高的環(huán)境中，人體依需要依靠蒸發(fā)和散熱來維持自身的熱平衡，較高的空氣濕度會阻礙排汗過程，導致人體熱量平衡受到破壞而熱感加劇，高溫高濕的熱環(huán)境會造成較高的熱風險。

風速和輻射這兩項因素對人體的舒適度也有著直接的影響，在高溫環(huán)境中，風有效提高了人與環(huán)境之間的熱量交換的速率，降低人體不適感，所以風在高溫環(huán)境中對于降低熱風險是積極因素。在戶外的人群無法避免太陽輻射，輻射在任何天氣條件下，對于人體的熱舒適性都非常重要（Nikolopoulou and Lykoudis,2006）。Zacharias et al.（2001）研究了太陽輻射對熱舒適的影響，間接證明了高溫時太陽輻射會增加人體的熱量負荷。此外，過多的暴露在太陽輻射下會造成裸露皮膚發(fā)紅甚至灼傷，長期暴露會增加皮膚癌的患病風險（Lucas et al.,2006）。在計算戶外熱風險時，不能忽視輻射的影響。

2.2.3 熱風險分級

表1定義了不同的AT值區(qū)間對應的熱感覺分級。AT值是以攝氏度（°C）為單位的溫度“真實值”，能夠直觀地表達溫度與熱感受之間旳對應關系。本文還參考前人對于熱舒適指數(shù)的分級 （Blazejczyk et al.,2012）以及應用Steadman的熱指數(shù)（Heat Index）來預測全球變暖情景下熱應力對印度不同區(qū)域的影響（Koteswara Rao et al.,2020）。綜合以上研究，本文將熱風險分級如表1所示。

表1 AT值及熱風險分級表Table 1 Value of apparent temperature and thermal risk classification

3 結果

3.1 單要素下中國高溫特征

根據(jù)《防暑降溫措施管理辦法》（http://www.nhc.gov.cn/zyjks/zcwj2/201207/3cda5ca273484f0b994733 bccc819aac.shtml[2012-02-26]）中的規(guī)定，本文將單要素下的高溫等級分為四級（如表2所示）。

表2 高溫等級分級表Table 2 High temperature rating scale

在ArcGIS中利用重分類工具，將最高氣溫分類為4個等級，利用模糊疊加工具，進行模糊或的疊加運算，將分類后的柵格圖像疊加，最終制作成各月大于35°C的空間分布（如圖2所示）。從圖中可以看出，以溫度為指標評價中國的高溫風險，新疆東疆地區(qū)熱天氣開始最早，持續(xù)最久。在6～8月，在新疆、內(nèi)蒙古西部沙漠地區(qū)、湖南—湖北、四川—重慶、西藏南部谷地和東南沿海區(qū)域有高溫天氣的情況，常被人認為高溫高濕的廣東—廣西—海南地區(qū)卻無明顯高溫天氣。

圖2 2000～2019年中國最高氣溫大于35°C空間分布Fig.2 Spatial distributions of maximum temperatures above 35°C in China during 2000-2019

為了明確各地的高溫天氣，本文利用python工具將日最高氣溫大于35°C的站點繪制成散點圖 （圖3），和圖2的高溫空間分布圖相互佐證。圖3所示為657個氣象站點中，氣溫高于35°C的氣象站能達到的最高溫度和天數(shù)。一共有15個省份有大于35°C的站點，大部分氣象站的溫度集中在35～37°C，高溫日數(shù)在0～20 d之內(nèi)。從5月1日至10月31日共計184天中，新疆吐魯番地區(qū)的氣象站點最高溫度能達到42°C以上，高溫日數(shù)能達到近120 d。新疆地區(qū)的高溫氣象站以溫度高，高溫日數(shù)多為主要特征。江西、湖南和浙江這三個省份高溫站點的數(shù)量多，但溫度主要集中在35.5～37°C，高溫日數(shù)為10～20 d左右。

圖3 2000～2019年中國氣溫高于35°C的天數(shù)Fig.3 Days of the temperature above 35°C in China during 2000-2019

3.2 體感溫度模型下中國高溫特征

本文對平均溫度、相對濕度、風速進行插值之后，根據(jù)公式（4）得出中國暖季的AT值。利用ArcGIS的重分類、疊加等工具，將AT值分級為更容易理解和區(qū)分的分級。

空氣濕度單獨情況下不會影響人體的熱感受，但在不同溫度下對人體有不同的作用。當人體處于適宜的氣溫環(huán)境時，濕度變化對體感的影響并不明顯，而當人體處于極端氣溫和極端濕度同時出現(xiàn)的環(huán)境中時，會產(chǎn)生明顯的不舒適感覺。在溫度較高的環(huán)境中，人體依需要依靠蒸發(fā)和散熱來維持自身的熱平衡，較高的空氣濕度會阻礙排汗過程，導致人體熱量平衡受到破壞而熱感加劇。由圖4可以看出，受季風氣候影響，中國南方地區(qū)濕度明顯高于北方，高濕度在高溫夏季造成悶熱體感，結合熱風險等級圖也可以看出南方的熱風險等級普遍比北方高，也會面臨更長時間的熱風險。

圖4 2000～2019年中國相對濕度分布Fig.4 Distributions of relative humidity in China during 2000-2019

圖5是風速插值結果，在空間分布上，平均風速的分布與地域有較高相關性。我國北部地區(qū)風速較大，尤其在青藏高原、內(nèi)蒙古和甘肅走廊地區(qū)常年大風。華北平原、四川盆地和兩廣地區(qū)風速較小。在高溫環(huán)境中，風能加快汗液的蒸發(fā)，加速人體與外界空氣的熱量交換，提升人體舒適感，所以在高溫環(huán)境中風對于降低熱風險是積極因素。

圖5 2000～2019年中國風速分布Fig.5 Distributions of wind speed in China during 2000-2019

依據(jù)戶外舒適度模型，本文綜合各類氣象要素計算出侯（5 d）AT值，經(jīng)過像元統(tǒng)計中的眾數(shù)運算，模擬出中國暖季月度戶外熱風險分布。由表1所示的分級標準，將低風險至極高風險區(qū)域在圖6中標出。相比單指數(shù)的高溫特征，利用舒適度模型計算的結果更具有普適性。5月開始，華北、華東、中南，東南地區(qū)已處于中熱風險區(qū)，廣東、廣西南部，海南是高熱風險區(qū)，從這段時期開始，戶外工作的人群都面臨著中暑的風險。7月，全國除青藏高原以外均有熱風險，緯度從北到南，風險等級遞增。其中，江西北部，湖南湖北交界地帶，上海地區(qū)均處于極高熱風險區(qū)，這段時期長時間戶外工作熱應力極強，具有極高的危險性。到10月，廣東、廣西、海南，云南南部，藏南谷地較高的熱風險，江西、福建、浙江、上海這幾個地區(qū)為中熱風險，依然要注意戶外防高溫傷害。

圖6 2000～2019年中國體感溫度下5～10月熱風險等級分布Fig.6 Distributions of thermal-risk level based on AT from May to Oct in China during 2000-2019

綜合的氣象要素的體感溫度指標比單要素指標能反映出更多的信息，幫助更多容易受到潛在熱風險傷害的戶外工作者提前預判，做出更好的防護。

圖7a所示是中國熱風險等級的分布圖，對月尺度的體感溫度數(shù)據(jù)進行平均值運算，并將結果按照表1的分級方法顯示。該圖所示海南、兩廣和江西是高熱風險明顯的省份，對應圖7b顯示這四省部分地區(qū)熱風險的天數(shù)為161～180 d，其余地區(qū)普遍在131～160 d之間。在這四地工作的人們熱應力極大，尤其對于戶外工作者，可能會受到更多的熱不舒適感，應該做好防暑措施。值得注意的是，兩湖、江蘇和上海也有部分地區(qū)熱風險天數(shù)在131～140 d之間，防暑壓力也很大。較高熱風險地區(qū)的省份多集中在東南部，熱風險天數(shù)在101～140 d之間，河南、山東、河北均是人口大省，戶外活動需要注意防暑。中風險區(qū)多在西北、東北緯度較高和者黃土高原、云貴高原等海拔較高的省份。對應的天數(shù)在61～100 d之間。這些省份雖然熱風險等級較低，但局部地區(qū)也會出現(xiàn)高熱點，比如新疆的吐魯番地區(qū)，遼寧渤海灣地區(qū)等，這些地方如果防御不當，也會導致嚴重后果。低風險地區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古—甘肅—寧夏這三個省份，出現(xiàn)熱風險的天數(shù)在60 d以下。此外，西藏南部谷地由于海拔較低，有一部分的熱帶氣候區(qū)。西藏由于整體溫度不高，因此沒有出臺高溫補貼政策，對于這些局部熱點地區(qū)，希望當?shù)卣推髽I(yè)能夠為出臺政策，保護勞動者的人身安全。

圖7 2000～2019年中國（a）熱風險等級及（b）熱風險天數(shù)分布Fig.7 Distributions of (a)thermal-risk levels and (b) thermal-risk days in China during 2000-2019

4 討論與結論

本文通過單指數(shù)和體感溫度指數(shù)兩種方式來說明中國暖季的高溫分布情況。單指數(shù)將日最高氣溫高于35°C的天氣視為高溫天氣，而體感溫度是各項氣象要素的綜合指標，這種模型可以采用瞬時的溫度來計算實時的體感溫度，但是本文評估的是中國暖季的熱風險情況，從宏觀角度出發(fā)，利用平均溫度更能體現(xiàn)長期的氣候條件，計算出的熱風險更具有普適性。結果表明：

（1）單指數(shù)下我國高溫天氣集中于新疆東部和長江中下游省份，時間上高溫天氣集中在6月、7月、8月。這種方法沒有體現(xiàn)出常年某些濕度較高或者輻射較強地區(qū)的高溫情況，如海南，兩廣地區(qū)。

（2）在AT模型下，我國暖季面臨的熱風險開始時間早，5月初京津冀、華東、西南、東南地區(qū)開始出現(xiàn)中熱風險區(qū)；整個暖季全國80%以上的區(qū)域都會出現(xiàn)中熱及以上的熱風險區(qū)；熱風險持續(xù)時間長，一直到十月下旬。6月、7月、8月各省風險等級都較高，戶外工作者在這三個月里需要更多的防暑措施來避免受到高溫的傷害。此外，在5月、9月、10月中，也要注意區(qū)域性的高溫現(xiàn)象，如新疆吐魯番地區(qū)和西南藏南谷地。

（3）總體上，不同的地區(qū)熱風險持續(xù)時間不同，普遍來講符合從南向北，風險等級和持續(xù)時間依次降低。熱風險等級最高和天數(shù)最長的地區(qū)為海南、兩廣、長江中下游省份，暖季面臨熱風險的總天數(shù)會達到170 d以上。東北和西北地區(qū)普遍處于中低熱風險區(qū)，熱風險天數(shù)大多在70 d以下，局部地區(qū)如新疆東部、遼寧沿海地區(qū)會有超過100天的區(qū)域。我國平均熱風險天數(shù)達到60 d，說明在暖季，戶外的人群受到的熱應力平均為2個月，無論從政府、企業(yè)還是個人來看，防暑壓力都比較大。

當前各國都日益重視氣候變化對人體健康影響，熱風險的空間劃分能給各地戶外工作者及政府提供避險參考，也能基于此進行經(jīng)濟上的評估。在今后的研究中，我們也將考慮更多我國南北氣候的差異性，致力于綜合更多的因素（如氣溶膠、PM2.5等污染物）客觀考慮戶外人群面臨的高溫風險。也將研究的空間尺度縮小到地級市的行政區(qū)中，時間尺度縮小至天，能夠為當?shù)卣贫ǜ欣诋數(shù)匕l(fā)展的防暑措施提供建議。

致謝感謝中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和國家科技資源共享服務平臺國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心（http://www.geodata.cn）提供數(shù)據(jù)支撐。