1961-2019年新疆高溫熱浪數(shù)據(jù)集

董弟文，陶輝，張增信

1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，烏魯木齊 830011

2.中國科學院大學，北京 100049

3.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046

4.新疆財經(jīng)大學統(tǒng)計與數(shù)據(jù)科學學院，烏魯木齊 830012

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 1961-2019年新疆高溫熱浪數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 董弟文、陶輝、張增信數(shù)據(jù)通信作者 陶輝（taohui@ms.xjb.ac.cn）數(shù)據(jù)時間范圍 1961-2019年地理區(qū)域 新疆維吾爾自治區(qū)（34°22'- 49°33'N，73°32'- 96°21'E）數(shù)據(jù)量 17.5MB數(shù)據(jù)格式 *.mat數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.doi.org/10.11922/sciencedb.01189基金項目 科技部基礎(chǔ)資源調(diào)查專項（2018FY100501）；中國科學院西部之光項目（2019-XBQNXZ-B-004，2019-XBYJRC-001）。數(shù)據(jù)庫（集）組成本數(shù)據(jù)集共包含2個文件夾，其中：（1）各站點每年高溫熱浪發(fā)生頻次、累計天數(shù)及高溫熱浪初日與終日，數(shù)據(jù)量共4.4 MB；（2）各站點不同等級高溫熱浪的發(fā)生天數(shù)及熱浪初日與終日，數(shù)據(jù)量共13.1 MB。

引 言

IPCC第六次評估報告指出，隨著全球變暖的不斷加劇，高溫熱浪、極端降水、極端干旱等極端氣候事件將變得更為頻繁[1]。極端氣候事件對人體健康、生態(tài)環(huán)境及社會經(jīng)濟帶來了極大影響，其中高溫熱浪造成的傷亡人數(shù)及經(jīng)濟損失遠高于其他極端氣候事件[2-3]?！读~刀倒計時中國報告》指出：2017年高溫熱浪造成中國的經(jīng)濟損失約占GDP的1%，相當于中國每年投入科技領(lǐng)域的財政總預算；2019年因高溫熱浪造成的勞動效率降低和工作時間損失高達全國0.5%的總工作時間；高溫熱浪導致老年人的死亡風險要比非高溫熱浪期間高10.4%[4]。此外，高溫熱浪會對農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)、水體富營養(yǎng)化及電力供應(yīng)等方面產(chǎn)生不利影響，還會引發(fā)干旱、森林草原火災(zāi)、局地融雪（冰）型洪水等多種災(zāi)害發(fā)生，已成為影響社會經(jīng)濟平穩(wěn)發(fā)展的重要阻礙[5-7]。鑒于此，開展高溫熱浪研究對降低危害及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

高溫熱浪是指異常高溫持續(xù)一段時間的天氣過程。由于人體適應(yīng)能力受區(qū)域氣候條件影響，不同國家及地區(qū)識別高溫熱浪的標準不同。中國氣象局規(guī)定日最高氣溫≥35℃為高溫日，日最高氣溫≥38℃則認為是酷熱日，并將連續(xù)3 d以上的高溫天氣稱為高溫熱浪[8]。氣溫較高時，蒸發(fā)散熱是最有效的散熱方式。在干燥狀態(tài)下，空氣相對濕度對散熱影響不明顯，而隨著相對濕度的增加，蒸發(fā)散熱率減少，人體難以有效散熱，導致熱相關(guān)發(fā)病率和死亡率上升[9-11]。目前針對高溫熱浪的研究主要集中在高溫時空演變特征、環(huán)流背景、災(zāi)害影響等方面[12-13]。殷聰?shù)然贜OAA提供的2833個氣象站點逐日監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合氣溫、濕度和風速，制作了“一帶一路”區(qū)域1989-2018年的高溫熱浪數(shù)據(jù)集[14]，美國博伊西州立大學的Mojtaba Sadegh等發(fā)布的全球熱浪和高溫記錄(GHWR)數(shù)據(jù)庫提供了1979-2017年間發(fā)生高溫熱浪的強度、頻次及持續(xù)時間等信息[15]?？傮w來看，有關(guān)高溫熱浪數(shù)據(jù)集的研究相對較少。新疆是高溫熱浪高發(fā)區(qū)，高溫熱浪數(shù)據(jù)集的制作可為新疆高溫熱浪的研究及風險評估提供有力支撐。

新疆是對全球變化響應(yīng)最敏感的地區(qū)之一[16]，高溫熱浪頻繁發(fā)生，2015年7-8月出現(xiàn)了罕見的高溫熱浪，其中全疆 85%的氣象站出現(xiàn)了高溫，52%的觀測站高溫持續(xù)日數(shù)位居歷史第一[17]。2017年7月全疆出現(xiàn)大范圍持續(xù)高溫，吐魯番、托克遜等10個氣象站最高氣溫突破歷史極值，其中吐魯番市吐峪溝景區(qū)最高氣溫達到50.5℃[18]。作為我國優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，新疆棉花播種面積占全國棉花播種面積的70%[19]，持續(xù)高溫對棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)具有一定的影響，干旱和高溫的復合脅迫會進一步增加農(nóng)牧業(yè)的損失。在全球變暖和水分循環(huán)加快背景下，新疆地區(qū)的極端事件將進一步增多[20]。本數(shù)據(jù)集以新疆氣象站點觀測的逐日最高氣溫及相對濕度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從人體健康角度出發(fā)，采用熱浪指數(shù)作為判別指標，制作了新疆高溫熱浪數(shù)據(jù)集。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

本文所使用的原始觀測數(shù)據(jù)源自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），選取了新疆105個氣象站的逐日最高氣溫和相對濕度數(shù)據(jù)（圖1）。將每個站點1961-2019年逐日數(shù)據(jù)按照日期逐行排序，按站點逐列排序，輸出命名為1961_2019年逐日數(shù)據(jù).mat的文件，用于后續(xù)計算高溫熱浪。

圖1 氣象站點分布圖

1.2 數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

本文從影響人體健康的角度出發(fā)，按照現(xiàn)行高溫熱浪等級國家標準中綜合表征炎熱程度和累積效應(yīng)的熱浪指數(shù)作為判別標準[21]，制作了新疆高溫熱浪數(shù)據(jù)集，具體流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

炎熱指數(shù)表征了當日天氣的炎熱程度。在空氣濕度較低的情況下，相同氣溫條件下不同相對濕度對人體產(chǎn)生的影響是基本等效的。因此，在計算炎熱指數(shù)時根據(jù)相對濕度不同分為兩個公式，當空氣濕度低于60%時，均按照60%代入計算公式，得到炎熱指數(shù)。當炎熱指數(shù)大于炎熱臨界值時，表示當日已達到高溫炎熱，通過結(jié)合其持續(xù)時間計算熱浪指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文所計算的高溫熱浪指數(shù)及高溫熱浪分級均參考現(xiàn)行國家標準[21]計算。

1.3.1 高溫熱浪指數(shù)

高溫熱浪指數(shù)（HI）是表征高溫熱浪程度的指標，計算公式如下：

式中：TI為當日的炎熱指數(shù)；TI′為炎熱臨界值；TIi為當日之前第i日的炎熱指數(shù)；ndi為當日之前第i日距當日的日數(shù)；N為炎熱天氣過程的持續(xù)時間。

1.3.2 炎熱指數(shù)

炎熱指數(shù)（TI）是衡量氣溫和相對濕度對人體健康影響程度的指標，計算公式如下：

式中：Tmax為日最高氣溫；RH為日平均相對濕度。

1.3.3 炎熱臨界值

采用分位數(shù)的方法來計算各站點的炎熱臨界值。計算出各站點日最高氣溫大于33℃樣本的炎熱指數(shù)，并將該炎熱指數(shù)作升序排列，選取第50分位數(shù)作為該站點的炎熱臨界值。

1.3.4 等級劃分

高溫熱浪持續(xù)時間越久，對人體健康和社會經(jīng)濟所造成的危害也就越加嚴重，為了衡量其影響程度，本文根據(jù)熱浪指數(shù)的大小將熱浪分為輕度、中度和重度熱浪（表1）。

表1 高溫熱浪等級判別標準

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集包含新疆地區(qū)105個氣象站點1961-2019年的高溫熱浪數(shù)據(jù)，共由13個文件組成。為了便于計算處理與應(yīng)用，將數(shù)據(jù)存儲為mat格式文件，文件均以數(shù)據(jù)類別命名（表2）。

表2 數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)說明

序號 數(shù)據(jù)名稱 量綱9 中度熱浪初日 年/月/日10 中度熱浪終日 年/月/日11 重度熱浪累計天數(shù) 天12 重度熱浪初日 年/月/日13 重度熱浪終日 年/月/日命名MHWS MHWE SHWCD SHWS SHWE

熱浪頻次表示某站點每年發(fā)生高溫熱浪的次數(shù)，熱浪累計天數(shù)表示某站點每年發(fā)生高溫熱浪的總天數(shù)。其中頻次和累計天數(shù)的數(shù)據(jù)文件均為59行105列，每一列為對應(yīng)氣象站點的逐年頻次和累計天數(shù)，每一行為對應(yīng)年份逐個氣象站點的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 熱浪頻次數(shù)據(jù)樣本

高溫熱浪初日指某站點每年第一次HI≥2.8的日期，高溫熱浪終日指某站點每年最后一次HI≥2.8的日期。若某站點在某年沒有發(fā)生高溫熱浪，熱浪初日與終日則用[NaN, NaN, NaN]表示，如圖4所示。

圖4 熱浪初日數(shù)據(jù)樣本

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

本高溫熱浪數(shù)據(jù)集是基于熱浪指數(shù)計算得到的，為了保證結(jié)果的可靠性，需要對評估結(jié)果進行驗證。通過計算得出105個氣象站中共有95個發(fā)生過高溫熱浪，該數(shù)據(jù)集由頻次、累計天數(shù)及熱浪初日、終日組成，現(xiàn)選取熱浪累計天數(shù)及熱浪初日對數(shù)據(jù)結(jié)果進行驗證，將從未發(fā)生過高溫熱浪的站點進行剔除。如圖5所示，新疆高溫熱浪累計天數(shù)最多的站點位于吐魯番地區(qū)，累計天數(shù)最多的區(qū)域熱浪初日也最早。從熱浪累計天數(shù)及初日的變化趨勢來看（圖6），全疆大部分站點熱浪累計天數(shù)呈增多趨勢，熱浪初日呈提前趨勢，這與張?zhí)鞯鹊难芯拷Y(jié)果一致[22]。

圖5 熱浪累計天數(shù)及熱浪初日的空間分布

圖6 熱浪累計天數(shù)及熱浪初日線性趨勢的空間分布

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)以新疆105個氣象臺站的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，制作生成了1961-2019年新疆高溫熱浪的發(fā)生頻次、累計發(fā)生天數(shù)、熱浪初日與終日及不同等級高溫熱浪累計發(fā)生天數(shù)、初日與終日等13個文件，對于探討新疆高溫熱浪的時空分布特征及變化趨勢具有重要意義，為新疆高溫熱浪的時空演變及其風險評估提供了數(shù)據(jù)支撐。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

1961-2019年新疆高溫熱浪數(shù)據(jù)集保存為mat格式，可使用Matlab打開，可以直接用于描述新疆高溫熱浪的空間分布及時間變化，為新疆高溫熱浪的研究提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也可以與人口、耕地、GDP等承災(zāi)體數(shù)據(jù)相結(jié)合，進一步揭示高溫熱浪對不同承災(zāi)體的影響，為新疆氣象災(zāi)害風險評估提供數(shù)據(jù)參考。