1960—2020 年淮河流域高温热浪时空变化特征

郭超凡，袁 征，邓童瑶，郭可欣，郭彦辰，张志高**

(1.衢州学院 商学院，浙江 衢州 324000；2.安阳工学院 数学与信息科学学院，河南 安阳 455000；3.安阳师范学院 资源环境与旅游学院，河南 安阳 455000)

21 世纪以来，全球显著变暖，IPCC 第六次评估报告指出，全球地表温度正以前所未有的速度上升，2011—2020 年全球平均表面温度相比1850—1900 年上升1.09 ℃[1]，与全球气候变暖基本一致，中国1960—2009 年均地表平均气温上升1.38 ℃[2].在全球变暖背景下，全球大部分陆地区域高温热浪等极端气候事件发生频率、持续时间和强度明显增加[3]，不仅加剧农业干旱，影响粮食产量，引发自然灾害，对社会经济和生态环境产生影响，而且同时增加心脑血管、呼吸系统等疾病的发病率，严重威胁人类健康[4-7].因此，高温热浪成为气候变化和气象灾害研究的热点问题之一[8-10].在空间尺度方面，沈皓俊等[11]分析了1961—2014 年中国高温热浪变化特征，发现热浪指数在1990s 后递增；李双双等[12]对近54 年京津冀地区热浪时空变化特征进行了研究，发现该区热浪以1970s 中期为转折，先减后增；孙艺杰等[13]探讨了黄土高原干旱和热浪事件演变规律，发现干旱和热浪呈增加趋势；李琪等[14]发现江浙沪地区高温热浪在1980s 后期呈增多（强）趋势.在模型方法方面，丁婷等[15]用欧洲中期天气预报中心的模式产品探讨了热浪的提前预报；王冀等[16]发现GFDL-CM2.0 和MIROC3.2（hires）模式对中国高温热浪模拟效果较佳；陈曦等[17]用湿球黑球温度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)指数定义热浪，定量估计了未来中国大陆地区发生热浪事件的空间分布特征及其变化；张井勇等[18]利用高分辨率区域气候模式（Weather Research and Forecasting model,WRF）模拟评估了陆-气耦合对中国夏季高温热浪的影响，认为陆-气耦合增加了中国的高温热浪.在高温热浪影响因素方面，陈磊等[19]认为中国西北地区大气环流异常特征可导致其大范围极端高温事件；张曦等[20]研究认为湖南省高温热浪与南亚高压东扩和西太平洋副高异常有关；王丽伟等[21]分析了华北—华东地区高温热浪与土壤湿度的关系；黄小梅等[22]研究发现对流层中层青藏高原以东至朝鲜半岛的高压异常可能是造成西南地区高温热浪偏多的原因.

淮河流域土地肥沃，交通便利，人口密集，约占全国总人口的13%，粮食产量约占全国总产量的17.3%，是中国重要的粮食生产基地，在中国经济社会发展中占有十分重要的地位.淮河流域地处中国南北气候过渡带和山区到平原的过渡带，高温热浪等极端气候事件频发[23].现有淮河流域高温热浪方面的研究[24-25]多关注的是高温日数或热浪频次的变化，而对高温热浪持续时间、等级划分、有效积温（强度）和空间分布等研究相对较少.因此，本文基于淮河流域40 个气象站点数据资料和西太平洋副热带高压环流指数，采用线性趋势和Morlet小波分析等方法，揭示淮河流域不同等级高温热浪频次、持续时间和强度的时空变化特征，为淮河流域高温灾害事件的防控和科学应对极端气候提供参考和依据.

1 资料和方法

1.1 研究区概况淮河流域（111°55′～121°20′E，30°55′～36°20′N）西起桐柏山，东临黄海，南以大别山、江淮丘陵为界，北以黄河南堤和泰山为界，位于长江和黄河流域之间，淮河主要流经河南、安徽、江苏和山东等省，流域面积约27×104km2.淮河流域地处中国南北气候过渡带，属暖温带半湿润季风气候，年平均气温11～16 ℃，极端最高气温44.5 ℃，最低气温-24.1 ℃，气温由北向南、由沿海向内陆递增.多年平均降水量约920 mm，无霜期200～240 d.

1.2 数据来源1960—2020 年淮河流域40 个气象站点气象数据资料源自中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn）中国地面气候资料日值数据集.1960—2020 年西太平洋副热带高压环流指数来自国家气候中心（http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_index_130.php）.研究区域及站点分布如图1 所示.

图1 淮河流域气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the Huai River Basin

1.3 研究方法参考相关资料[26]，日最高气温≥35 ℃为1 个高温日，定义日最高气温≥35 ℃且连续3 d 以上的天气过程为一次高温热浪过程，同时根据高温日的持续天数，将高温热浪分为轻度、中度和重度3 个等级（表1）.此外，引入高温有效积温（Effective Accumulated High Temperature,EAHT）表示高温热浪强度，EAHT 为每日最高气温与35 ℃阈值之差的累积和，有效积温越大，热浪的危害就越大.此外，采用一元线性回归法分析高温热浪的变化趋势，采用Morlet 小波分析[27]对淮河流域高温热浪周期特征进行分析，运用克里金空间插值法对高温热浪空间变化特征进行分析.

2 结果与分析

2.1 高温热浪等级分布特征1960—2020 年淮河流域各等级高温热浪频次、平均持续时间和平均高温有效积温如表S1（详见支撑附录信息）所示.表S1 显示，近61 年来淮河流域40 站共发生了3 444 次高温热浪事件，每次热浪事件的平均持续时间为4.81 d/次，平均高温有效积温为7.82 ℃/次.其中，轻度热浪2 213 次，占比64.26 %，中度和重度热浪分别发生781 次和450 次.重度热浪年平均持续时间和有效积温分别为10.48 d 和21.86 ℃，远超轻度和中度热浪.

2.2 高温热浪时间变化

2.2.1 高温热浪频次的时间变化 1960—2020年淮河流域高温热浪频次年际变化如图2 所示.由图2 可知，近61 年淮河流域热浪频次年均值为56.46 次，2008 年最小为7 次，1967 年最大为167次.轻度热浪频次在6～92 次之间，年均值为36.28 次，其中1967 年最多，1980 年最少.中度热浪频次均值为12.80 次，1966 年最多为60 次，1999 年和2008 年最少均为0 次.重度热浪频次在0～41次/a 之间，年均值为7.38 次，其中1966 年最多，2008 年等14 个年份为0 次.从变化趋势来看，近61 年来淮河流域各等级高温热浪频次变化趋势相似，在1980s 中期前呈减少趋势，1980s 中期以后呈波动上升趋势.

图2 1960—2020 年淮河流域高温热浪频次年际变化Fig.2 Annual variations of frequency of heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

从年代际变化来看（表S2 见支撑附录信息），近61 年来淮河流域各等级高温热浪呈现先减少后上升的趋势，1960s 热浪次数最多为79.10 次，之后热浪次数逐渐减少，1980s 最少为30.70 次，随后逐渐上升，2010s 升至77.55 次.

2.2.2 高温热浪持续时间变化 1960—2020 年淮河流域平均热浪持续时间变化如图3 所示.由图3 可知，近61 年淮河流域高温热浪持续时间年均值为6.79 d/次，1966 年最长为24.35 d/次，2008年最短为0.60 d/次.与热浪频次变化趋势相似，近61 年来淮河流域高温热浪持续时间在1980s 中期前呈减少趋势，1980s 中期以后呈波动上升趋势.

图3 1960—2020 年淮河流域平均高温热浪持续时间变化Fig.3 The variation of average days of heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

从年代际变化来看（表S2 见支撑附录信息），1960 年代持续时间最长为10.73 d，之后热浪次数逐渐减小，1980 年代最短为3.45 d，随后逐渐上升，2010 年代为9.55 d.

2.2.3 高温热浪平均有效积温的时间变化 1960—2020 年淮河流域高温热浪年平均有效积温变化如图4 所示.由图4 可知，近61 年淮河流域年平均有效积温均值为11.04 ℃，2008 年最小为0.59 ℃，1966 年最高为61.06 ℃.与热浪频次和持续时间的变化趋势相似，年有效积温在1980s 中期前呈减少趋势，1980s 中期以后呈波动上升趋势.

图4 1960—2020 年淮河流域高温热浪平均有效积温变化Fig.4 The variation of average effective accumulated high temperature of heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

从年代际变化来看（表S2 见支撑附录信息），近61 年来淮河流域高温热浪年平均有效积温呈先减少后上升的趋势，1960s 有效积温最高为20.78 ℃/a，之后逐渐减小，1980s 最小为5.40 ℃/a，随后逐渐上升，2010s 升至14.52 ℃/a.

2.3 高温热浪的周期变化特征1960—2020 年淮河流域高温热浪频次、有效积温和持续时间的Morlet 小波分析结果如图5 所示.从图5（a）可以看出，高温热浪频次存在9、13、20 a 和27 a 左右的周期变化规律.其中，20 a 的周期最为明显且具有全域性；9 a 周期主要体现在1990 年之前；13 a 周期集中体现在1985 年之后；27 a 主要体现在1979年之后.如图5（b）所示，热浪频次的小波方差在9、13、20 a 和27 a 处存在明显的峰值，其中20 a 处峰值最大，为第1 主周期.27、13 a 和9 a 分别为其第2、3、4 主周期.

图5 1960—2020 年淮河流域高温热浪频次周期、持续时间周期和有效积温周期变化特征Fig.5 Periodic variation characteristics of frequency,duration days and effective temperature of heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

从图5（c）可以看出，高温热浪持续时间存在4 个周期变化，分别为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 周期分别集中体现在1990 年前、1985 后及1988 年后.如图5（d）所示，热浪持续时间的小波方差分别在9、13、20 a 和27 a 处存在明显的峰值，其中20 a处峰值最大，为第1 主周期.27、13 a 和9 a 分别为其第2、3、4 主周期.

从图5（e）可以看出，高温热浪有效积温存在显著的9、20 a 和27 a 左右的周期变化规律.其中，20 a 周期正负交替最为显著，且具有全域性；9 a 周期主要存在于1978 年前，1978 年后27 a 周期较为明显.由小波方差图5（f）可知，有效积温的小波方差分别在9、20 a 和27 a 处存在明显的峰值，其中20 a 处峰值最大，为第1 主周期.27 a 和9 a 分别为其第2、3 主周期.

2.4 高温热浪的空间变化特征

2.4.1 高温热浪累计频次 1960—2020 年淮河流域不同等级高温热浪累计频次空间分布如图6所示.由图6 可知，轻度热浪累计频次为1～96 次，呈西多东少的分布特征.其中，流域西部宝丰、许昌、永城和郑州等地累计频次在91 次以上；流域东北部日照、莒县和赣榆等地最少，累计频次在15 次以下；东南部大丰、东台、如皋和高邮等地累计频次为24～38 次.中度热浪累计频次为0～41 次，也呈西多东少的分布特征.其中，流域西南部六安、驻马店和霍山等地最高，累计频次在40次以上；流域东北部日照、沂源、莒县和赣榆等地最少，累计频次在6 次以下.重度热浪累计频次为0～33 次，呈西南多东北少的分布特征.其中，流域西南部六安和霍山等地最高，累计频次在28 次以上；流域东北部日照、莒县和赣榆等地累计频次均为0 次；东南部大丰、如皋、东台和高邮等地累计频次为7～11 次.

图6 1960—2020 年淮河流域不同等级高温热浪累计频次空间分布Fig.6 Spatial distribution of cumulative frequency for different level heat waves in the Huai River Basin from 1960 to 2020

1960—2020 年淮河流域高温热浪累计频次总和及其趋势的空间分布如图7 所示.由图7（a）可知，近61 年来，淮河流域高温热浪累计频次总和为1～163 次，呈西多东少的分布特征.其中，流域西南部六安、驻马店和霍山等地累计频次在144 次以上，流域东北部日照、莒县、沂源和赣榆等地最少，累计频次在20 次以下.由图7（b）可知，高温热浪累计频次总和的倾向率为-0.21～0.28 次/10 a，呈西小东大的分布特征.其中，阜阳等流域西部地区14 个站点倾向率为负，高温热浪累计频次呈减少趋势；高邮等东部地区26 个站点倾向率为正，累计频次呈增加趋势.阜阳、宝丰和开封等地最小，累计频次为-0.21～0.11 次/10 a，东南部阜宁、如皋和高邮等地最大，累计频次为0.13～0.28 次/10 a.

图7 1960—2020 年淮河流域高温热浪累计频次空间分布及变化趋势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 高温热浪持续时间和高温有效积温 由图8（a）可知，高温热浪持续时间为0.07～15.44 d/次，呈西多东少的分布特征.其中，流域西南部六安和霍山等地最多，持续时间为13.69～15.44 d/次；流域东北部日照、莒县、沂源和赣榆等地最少，持续时间为0.07～1.31 d/次；东南部大丰、如皋、东台和高邮等地持续时间为3.26～5.64 d/次.由图8（b）可知，从热浪持续时间的变化趋势来看，倾向率在-1.15～1.62 d/10 a.其中，阜阳等20 个站点倾向率为负，大多位于流域西部地区，次均持续时间呈减少趋势；高邮等东部地区20 个站点倾向率为正，次均持续时间呈增加趋势.阜阳、蚌埠和商丘等地最小，倾向率为-1.15～0.74 d/10 a，东南部如皋和高邮等地最大，倾向率为0.77～1.62 d/10 a.

由图8（c）可知，淮河流域年平均有效积温为0.08～31.83 ℃，呈西高东低分布特征.其中，流域西南部六安和霍山等地最大，年平均有效积温为23.87～31.83 ℃；流域东北部日照、莒县、沂源和赣榆等地最少，年平均有效积温为0.08～1.71 ℃；东南部大丰、如皋、东台和高邮等地年平均有效积温为3.95～7.43 ℃.由图8（d）可知，从有效积温的变化趋势来看，倾向率在-3.06～2.51 ℃/10 a，商丘等28 个站点倾向率为负，大多位于流域西部地区，有效积温呈减少趋势；高邮12 个站点倾向率为正，大多位于流域东部地区，有效积温呈增加趋势.商丘、蚌埠和阜阳等地倾向率最小在-3.06～-2.43 ℃/10 a，东南部如皋和高邮等地倾向率最大在1.14～2.51 ℃/10 a.

2.5 高温热浪的环流背景分析大气环流是形成和制约区域气候的重要因子，淮河流域位于我国东部地区，其高温热浪的发生和维持深受西太平洋副热带高压的影响[12].因此，本文选取西太平洋副高面积指数、强度指数、脊线位置和西伸脊点指数，采用相关分析研究其对淮河流域高温热浪的关系.

由表S3（见支撑附录信息）可知，1960—2020年西太平洋副高各指数与淮河流域高温热浪频次相关关系表现为西太副高面积、强度和脊线位置与高温热浪频次呈正相关，相关系数分别为0.10、0.10 和0.12，而西太副高西伸脊点指数与高温热浪频次呈负相关，相关系数为-0.06.其中，西太副高脊线位置与高温热浪频次相关系数通过了0.05 的显著性检验，两者呈现出显著的正相关关系，表明西太副高脊线位置显著影响淮河流域高温热浪频次.

3 讨论和结论

3.1 讨论本研究基于1960—2020 年淮河流域40 个气象站点逐日最高气温资料，对淮河流域高温热浪时空变化特征进行了分析.在全球变暖背景下，淮河流域高温热浪具有显著的趋势转变，1960s 高温热浪最多最强，1960s～1980s 中期呈减少（弱）趋势，此后呈增多（强）趋势，这与前人研究结果[20,24]一致.这可能与1980s 后全球气候增暖[12]和改革开放后城市化进程加快等导致的城市热岛效应有关[28].61 年来淮河流域高温热浪频次、时间和强度呈西多（强）东少（弱）分布特征，流域西南部六安和霍山等地热浪最强，流域东北部热浪较弱，这与前人对淮河流域的研究[24]一致.从变化趋势来看，淮河流域西部高温热浪呈减少（弱）趋势，东部呈增多（强）趋势，未来流域东部地区更应加强高温灾害事件的防控和应对.

本研究未涉及淮河流域高温热浪深层次的成因和机理，西太平洋副高等环流因子、土地利用/覆被变化和城市化对高温热浪的影响，以及高温热浪对区域社会经济和生态环境的影响还有待进一步研究.

3.2 结论（1）1960—2020 年淮河流域共发生了3 444 次高温热浪事件，热浪平均持续时间为4.81 d/次，年平均有效积温为7.82 ℃.其中，轻度热浪发生最多，占比64.26 %，重度热浪年平均持续时间最长达10.48 d，强度也最大为21.86 ℃.

（2）近61 年来淮河流域各等级高温热浪具有显著的阶段性特征，热浪频次、持续时间和强度变化特征相似.1980s 中期以前呈减少（减弱）趋势，此后呈增多（增强）趋势；1960s 淮河流域高温热浪最多最强，年平均热浪频次、持续时间和热浪强度分别为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温热浪主周期变化为20 a，次周期为27 a 和9 a.

（4）高温热浪频次、持续时间和强度的空间分布特征相近，呈西多（强）东少（弱）趋势.淮河流域西南部形成高值中心，东北部为低值中心.从变化趋势来看，流域西部热浪频次、持续时间和强度呈减少（弱）趋势，东部呈增多（强）趋势.