长江中下游地区温湿复合热浪及人口暴露度研究

刘清滢 王艳君 赵庆庆 王媛 高妙妮 姜彤

南京信息工程大学地理科学学院/灾害风险管理研究院，南京 210044

1 引言

自20 世纪50 年代以来，全球热浪的强度和频次增加，持续时间延长，随着全球变暖，气候进入新常态，未来破纪录的高温热浪事件将越来越频繁（IPCC, 2021）。2022 年夏季，全球多地经历了气象观测史上最热的夏天，中国长江中下游发生了历史罕见的高温热浪，多地最高气温超过40°C，最低温度甚至高于30°C，具有极端性显著、影响范围广和持续时间长等特点，对社会经济发展和人类健康带来巨大的不利影响。温湿复合热浪会破坏人体对温度的冷却机制，加重人体体温调节的负担，增加人体健康的风险（Sherwood and Huber, 2010;Matthews et al., 2017）。因此，开展温湿复合热浪及人口暴露度的研究，对相关部门制定有效的高温防御措施、保障人体健康具有重要意义。

基于单一气温要素的高温热浪研究表明：全球和中国夏季高温热浪的频次、日数和强度总体呈增多、增强趋势（Russo et al., 2014; 刘钊等, 2021）；未来华南、华中地区是中国热浪频次和强度的高值区，将面临更大的热浪风险（王磊斌等, 2022）。21 世纪日益加剧的温度和湿度复合热浪引起了学者的关注，采用CMIP5 气候模式、“湿球温度”或“湿球黑球温度”等指标，利用单一绝对阈值或相对阈值方法对温湿复合热浪的研究表明，温湿复合热浪的平均值和极值将普遍增加（Im et al., 2017;Coffel et al., 2018; Chen et al., 2020），热带和亚热带地区频次增加迅速（Battisti and Naylor, 2009;Matthews et al., 2017; Mora et al., 2017; Li et al.,2020），中国南部地区湿球温度较高，可能是未来发生温湿复合热浪最严重的地区（陈曦等，2020a）；根据健康人群可能无法在35°C 的湿球温度下户外生存超过6 h 这一假设（Sherwood and Huber, 2010），有学者指出中国华北平原可能会经历致命的热浪，农民在户外工作时可能承受极大威胁（Kang and Eltahir, 2018）。RCP8.5 情景下，21世纪末相较于1981～2010 年全球热浪的人口暴露度将增加近 30 倍（Liu et al., 2017），中国强危害性高温的人口暴露度将增加近 83 倍（黄大鹏等,2016），基于SSP3 路径下人口数据，表明21 世纪远期热带地区的人口暴露度增加显著（陈曦等,2020b）。温湿复合热浪尚缺深入研究，目前缺少采用多模式多情景下未来危害性/致死性温湿复合热浪下动态人口暴露度变化特征研究。

本文选择长江中下游六省一市（浙江省、江苏省、安徽省、湖北省、湖南省、江西省、上海市）为研究区，通过温度和湿度要素计算湿球温度，当湿球温度≥33°C 时为危害性温湿复合热浪，湿球温度≥35°C 时为致死性温湿复合热浪，选用7 个情景齐全的5 个CMIP6 气候模式，研究长江中下游地区危害性/致死性温湿复合热浪的频次、影响范围和最长持续时间的时空变化特征，结合人口统计数据和共享社会经济路径下动态人口特征，辨识危害性/致死性温湿复合热浪下动态人口暴露度，以期更好地服务于高温热浪风险预警，为减轻高温热浪对人体健康风险提供科学依据和对策参考。

2 研究区概况、数据与方法

2.1 研究区概况

研究区为长江中下游地区六省一市，包括湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江和上海，总面积约95×104km2（图1）。属于季风气候区，气候湿润，雨热同期，夏季高温多雨，历史时期最高气温呈不显著上升趋势，变化率为0.003°C/10 a，相对湿度呈上升趋势，变化率为0.19%/10 a。2020 年长江中下游地区人口总量约为4.04×108，约占中国总人口的29%，人口密集，GDP 总量约为35.56×104亿元，约占中国GDP 总量的35%。

图1 研究区概况Fig. 1 Overview of the study area

2.2 数据

历史时期气象数据为中国2467 个气象观测站逐日最高气温和相对湿度数据采用反距离加权插值（IDW 插值）（吴佳和高学杰, 2013）而成的格点数据集，空间分辨率为0.5°（纬度）×0.5°（经度），截取长江中下游地区数据，时间序列选用1961～2020 年逐年6 月、7 月和8 月。

耦合模式国际比较计划第六阶段（CMIP6）中的输出情景齐全（低排放情景：SSP1-1.9、SSP1-2.6、SSP4-3.4，中排放情景：SSP2-4.5、SSP4-6.0，高排放情景：SSP3-7.0、SSP5-8.5）的全球气候模式有5 个，气候模式为CanESM5、CNRM-ESM2-1、ISPL-CM6A-LR、MIROC6、MRI-ESM2-0。采用IDW 插值方法将5 个气候模式空间分辨率统一为0.5°（纬度）×0.5°（经度）。模拟与预估气象数据选取1961～2100 年逐年6、7、8 月逐日最高气温和相对湿度数据，1961～2014 年为历史模拟期，2015～2100 年为未来预估期。按照CMIP6 实验要求，1995～2014 年为基准期，本文将21 世纪分为近期（2021～2040 年）、中期（2041～2060 年）、远期（2081～2100 年）3 个时期。

1995～2014 年历史人口数据来源于历年县域统计年鉴，并将县域单元的人口数据采用IDW 方法插值到0.5°（纬度）×0.5°（经度）格点上。未来人口数据采用共享社会经济路径下（SSP1-SSP5）2015～2100 年逐年人口预估数据（姜彤等, 2022），空间分辨率为0.5°（纬度）×0.5°（经度）。

2.3 研究方法

（1）湿球温度

湿球温度是通过用湿布覆盖标准温度计球并对其进行充分通风来测量的，定义为空气在完全饱和后通过蒸发冷却达到的温度（Coffel et al., 2018），湿球温度为传热建立了一个明确的热力学极限。

其中，Tw为自然湿球温度，Ta为干燥空气温度，H为相对湿度，atan 为反正切函数。

（2）温湿复合热浪的定义

国际标准化组织ISO7243 标准把湿球温度33°C作为健康人群在休息时的安全阈值（ISO, 1989），Sherwood and Huber（2010）提出健康人群可能无法在35°C 的湿球温度下户外生存超过6 h 的假设。本文定义湿球温度≥33°C 为危害性温湿复合热浪，湿球温度≥35°C 为致死性温湿复合热浪，并从采用复合热浪频次、影响范围和最长持续时间等3 个维度来探讨长江中下游地区夏季危害性/致死性温湿复合热浪的变化特征。频次为各格点每年发生温湿复合热浪的累计天数；影响范围为每年发生温湿复合热浪的累计格点范围；最长持续时间为每年连续发生温湿复合热浪的最长累计天数。

（3）人口暴露度

温湿复合热浪的人口暴露度为每年温湿复合热浪影响范围内的人口数量（Wang et al., 2020）。

其中，E为人口暴露度，n表示每年发生温湿复合热浪的格点数，Ai表示未来温湿复合热浪对应影响范围内的人口数量。

（4）气候模式降尺度与偏差订正

由于各气候模式的分辨率不一致，因此对5 个全球气候模式数据进行了统计降尺度处理和偏差订正，本文采用IDW 插值方法将全球模式的空间分辨率统一为0.5°（纬度）×0.5°（经度）（在此省略IDW 方法介绍），采用等距累计分布函数（Equidistant Cumulative Distribution Functions，EDCDF）对气候模式进行偏差订正（Li et al., 2010）。EDCDF公式如下：

其中，x为气候要素，F为累积概率分布函数（CDF），Foc代表基准期实测，Fmc代表基准期模拟，Fms代表预估期模拟（Li et al., 2010）。

（5）气候模式模拟能力评估

采用均方根误差（RMSE），偏差（BIAS）和空间相关系数（COR）（Huang et al., 2015）对气候模式的模拟能力进行评估。

计算方法如下：

其中，t为样本数据个数，Mn为模式数据，On为观测气象数据。

3 研究结果

3.1 气候模式模拟能力评估

从1961～2014 年平均湿球温度的时间变化趋势来看，长江中下游地区夏季观测的平均湿球温度约为27.5°C，湿球温度呈不显著的变化趋势。气候模式集合平均后长江中下游地区夏季平均湿球温度约为27.3°C（图2a）。观测与气候模式集合平均的湿球温度偏差较小，相关系数在0.94 以上，变化趋势与观测值相符。

图2 1961～2014 年长江中下游地区（a）观测和气候模式模拟湿球温度的时间变化（折线为5 个气候模式集合平均，阴影表示模式的上下限范围）以及（b）观测、（c）气候模式模拟 湿球温度的空间变化Fig. 2 (a) Temporal variation of observed and simulated wet bulb temperature (the broken line is the ensemble average of five climate models, and the shading represents the upper and lower limits of the model) and spatial variation of (b) observed and (c) climate model averaged wet bulb temperature in the middle and lower reaches of the Yangtze River from 1961 to 2014

空间上（图2b、2c），湖南省、湖北省东部、浙江省北部和江西省大部分地区处于湿球温度的高值区，湖北省西部处于湿球温度的低值区。气候模式集合平均的湿球温度与观测值的空间相关系数达到0.93 以上，空间一致性较高。因此，所选气候模式数据可以在时间和空间上反映长江中下游地区的湿球温度变化特征。

3.2 温湿复合热浪的时空变化特征

3.2.1 危害性温湿复合热浪

基准期（1995～2014 年）约有74.8×104km2的地区受危害性温湿复合热浪影响，影响范围主要为上海市、湖北省东部、安徽省和江苏省的中南部以及湖南省、江西省和浙江省的大部分地区，其中，2000 年浙江省北部持续时间最长，约为10 d，年均热浪频次约为6 d，湖北省西部和北部、安徽省和江苏省的北部地区未发生危害性温湿复合热浪（图3a）。

图3 长江中下游地区危害性温湿复合热浪最长持续时间（a）基准期的空间分布以及（b）基准期和7 个共享社会经济路径下21 世纪近期、中期、远期的变化Fig. 3 (a) Spatial variation of the longest duration of hazardous compound temperature-humidity heatwaves in the middle and lower reaches of the Yangtze River during the base period; (b) temporal variation of the longest duration of hazardous compound temperature-humidity heatwaves during the base period and the near, medium, and long-term of the 21st century under seven SPPs (Shared Socioeconomic Pathways) in the middle and lower reaches of the Yangtze River

21 世纪近期（2021～2040 年）和中期（2041～2060 年）危害性温湿复合热浪影响范围约为77.4×104（SSP3-7.0）～88.5×104（SSP2-4.5）km2和83.6×104（SSP1-1.9）～92.2×104（SSP5-8.5）km2，年均频次分别约为8 d（SSP3-7.0）～11 d（SSP1-1.9）和12 d（SSP1-2.6）～17 d（SSP5-8.5），均未出现超基准期最长持续时间的热浪；相较于基准期，中期江西省中部及东部、浙江省北部、安徽省北部、江苏省北部，湖南省东南部和湖北省东部年均热浪频次增幅约15 d 以上（图3b、图4a1-g2）。远期（2081～2100 年）影响范围约 为 79.4×104km2（ SSP1-1.9） ～ 95.1×104km2（SSP5-8.5），占研究区的83%～100%，年均频次约为12 d（SSP1-2.6）～39 d（SSP5-8.5），相较于基准期，低排放情景下，湖南省东南部、江西省中部、浙江省北部等地区频次增幅约为10 d，未出现超基准期最长持续时间的危害性温湿复合热浪；中排放情景下，江西省、湖南省和浙江省的大部分地区、湖北省东部、安徽省和江苏省的南部以及上海市频次增加20 d 以上；高排放情景下，长江中下游（除湖北省西北部）大部分地区年均频次增加30 d 以上，60%以上的地区可能会发生超基准期最长持续时间的危害性温湿复合热浪，尤其在SSP5-8.5 情景下，江西省南部可能会发生持续一个月的危害性温湿复合热浪（图3b、图4 a3-g3）。

图4 长江中下游地区7 个共享社会经济路径情景下21 世纪（a1-g1）近期、（a2-g2）中期和（a3-g3）远期危害性温湿复合热浪频次相较于基准期变化的空间分布Fig. 4 Spatial distribution of the frequency of hazardous compound temperature-humidity heatwaves under seven SSPs in the middle and lower reaches of the Yangtze River during (a1-g1) the near, (a2-g2) medium, and (a3-g3) long-term of the 21st century compared to the base period

3.2.2 致死性温湿复合热浪

基准期约有22.3×104km2的地区受致死性温湿复合热浪的影响，影响地区主要为湖南省中东部、江西省中东部、湖北省东部以及浙江省北部，其他地区均未发生过致死性温湿复合热浪，年均频次约为3 d，其中，2000 年浙江省中部持续时间最长，约为4 d（图5a）。

图5 长江中下游地区致死性温湿复合热浪最长持续时间（a）基准期的空间变化以及（b）基准期和7 个共享社会经济路径情景下21 世纪近、中、远期的变化Fig. 5 (a) Spatial variation of the longest duration of lethal compound temperature-humidity heatwaves in the middle and lower reaches of the Yangtze River in the base period; (b) temporal variation of the longest duration during the base period and the near, medium, and long-term of the 21st century under seven SSPs in the middle and lower reaches of the Yangtze River

近期致死性温湿复合热浪影响范围约为27.7×104km2（SSP3-7.0）～54.0×104km2（SSP2-4.5），年均频次约为4 d（SSP1-2.6）～7 d（SSP4-6.0） d，约有2%以下的地区会发生超基准期最长持续时间的致死性温湿复合热浪（图5b、图6a1-g1）。中期影响范围约36.0×104km2（SSP4-3.4）～70.8×104km2（SSP5-8.5），占研究区的38%～74%，年均频次约为6（SSP1-2.6）～11 d（SSP5-8.5），相较于基准期，湖南省东部、江西省中东部、浙江省中部、安徽省南部、江苏省南部和湖北省东部的频次增加5 d 以上，约有1%（SSP1-1.9）～20%（SSP5-8.5）的地区可能发生超基准期最长持续时间的致死性温湿复合热浪（图5b、图6a2-g2）。远期影响范围约31.7×104（SSP1-1.9）～3.3×104（SSP5-8.5）km2，占研究区的33%（SSP1-1.9）～98%（SSP5-8.5），频次约为7 d（SSP1-2.6）～24 d（SSP5-8.5） ，相较于基准期，低排放情景下，大部分地区频次增加10 d 以内，中排放情景下，江西省、湖南省和上海市的大部分地区、浙江省中部及北部、湖北省东部和南部、安徽省和江苏省的中部及南部频次增加超15 d，高排放情景下，湖南省东南部、江西省中东部、上海市和浙江省中部及北部频次增加30 d 以上，江西省东部及中部可能会发生持续14 天以上致死性温湿复合热浪，不同排放情景下，约有20%～73%以上的地区可能会发生超基准期最长持续时间的致死性温湿复合热浪（图5b、图6a3-g3），对人类正常生产生活造成极大威胁。

图6 长江中下游地区7 个共享社会经济路径情景下21 世纪（a1-g1）近期、（a2-g2）中期和（a3-g3）远期致死性温湿复合热浪频次相较于基准期变化的空间分布Fig. 6 Spatial distribution of the frequency of lethal compound temperature-humidity heatwaves under seven SSPs in the middle and lower reaches of the Yangtze River during (a1-g1)the near, (a2-g2) medium, and (a3-g3) long-term of the 21st century compared with the base period

3.3 温湿复合热浪的人口暴露度变化

3.3.1 危害性温湿复合热浪

基准期长江中下游地区年均约有1.7×108人口暴露于危害性温湿复合热浪下，约占总人口的45%，其中，2002 年为暴露人口最多的年份，约2.4×108，主要集中在浙江省北部和上海市。

21 世纪近、中、远期各情景下暴露人口较基准期呈上升趋势，近期年均暴露人口约2.4×108（SSP3-7.0）～3.3×108（SSP2-4.5），占近期人口总数的58%～79%，约为基准期的1.4～1.9 倍，相较于基准期，暴露人口增加0.7×108～1.6×108，主要集中于安徽省中部、江苏省东南部、湖北省东部、浙江省北部和上海市（图7a1-7g1）。中期年均暴露人口约2.8×108（SSP1-1.9）～3.6×108（SSP2-4.5），占中期人口总数的73%～88%，约为基准期的1.6～2.1 倍，相较于基准期，人口暴露度增加1.1×108～1.9×108（图7a2-7g2）。远期年均暴露人口约2.0×108（SSP1-1.9）～4.4×108（SSP3-7.0），占远期年均人口总数的71%～99%，约为基准期的1.2～2.5 倍，其中高排放情景人口暴露度增加最多，研究区内人口均会受危害性温湿复合热浪的影响（图7a3-7g3）。

图7 长江中下游地区7 个共享社会经济路径情景下21 世纪（a1-g1）近期、（a2-g2）中期和（a3-g3）远期危害性温湿复合热浪的人口暴露度相较于基准期变化的空间分布Fig. 7 Spatial distribution of population exposure to hazardous compound temperature-humidity heatwaves under seven SSPs in the middle and lower reaches of the Yangtze River during (a1-g1) the near, (a2-g2) medium, and (a3-g3) long-term of the 21st century compared to the base period

3.3.2 致死性温湿复合热浪

基准期年均约0.2×108人口暴露于致死性温湿复合热浪下，约占基准期总人口的5%，其中1998 年为暴露人口最多的年份，约0.6×108；暴露人口主要位于湖南省中东部、江西省中东部、湖北省东部以及浙江省北部。

近期年均暴露人口约0.3×108（SSP5-8.5）～0.9×108（SSP1-1.9），占近期人口总数的6%～18%，约为基准期的1.4～5.0 倍；相较于基准期，暴露人口增加0.1×108～0.7×108，主要集中于湖南省东部、江西省东部、浙江省北部和上海市（图8a1-g1）。中期年均暴露人口约0.8×108（SSP1-1.9）～1.7×108（SSP2-4.5），占人口总数的20%～42%，为基准期的4.3～9.6 倍，增加最多的地区为浙江省北部和上海市（图8a2-8g2）。远期年均将有0.4×108（SSP1-1.9）～3.7×108（SSP3-7.0）人暴露于致死性温湿复合热浪下，占同时期长江中下游地区人口的16%～83%，为基准期的2.5～20.5 倍，相较于基准期，人口暴露度增加0.2×108～3.5×108，主要集中于上海市、浙江省北部、江苏省南部、安徽省南部、江西省中部、湖南省中部以及湖北省东部（图8a3-8g3）。总的来说，21 世纪近、中、远期暴露人口在致死性温湿复合热浪下的增加速度更快，暴露人口高值区位于浙江省北部和上海市，长江中下游地区更应关注致死性温湿复合热浪对人体健康的不利影响，加强对致死性温湿复合热浪的防范工作。

图8 长江中下游地区7 个共享社会经济路径情景下21 世纪（a1-g1）近期、（a2-g2）中期和（a3-g3）远期致死性温湿复合热浪的人口暴露度相较于基准期变化的空间分布Fig. 8 Spatial distribution of population exposure to the 21st century (a1-g1) near, (a2-g2) medium, and (a3-g3) long-term lethal compound temperature-humidity heatwaves compared to the base period

4 结论与讨论

本文选取温湿复合热浪频发的长江中下游地区为研究区，采用CMIP6 中输出情景齐全的5 个气候模式模拟和预估数据，结合共享社会经济路径（SSP1-5）下人口动态变化特征，开展21 世纪近、中、远期长江中下游地区危害性/致死性温湿复合热浪频次、影响范围和最长持续时间的时空变化特征和人口暴露度变化特征研究，主要结论如下：

（1）基准期（1995～2014 年）长江中下游地区危害性/致死性温湿复合热浪频次约为6 d/3 d，最长持续时间约为10 d/4 d，频次最大值出现在远期，约为12 d（SSP1-2.6）～39 d（SSP5-8.5）/7 d（SSP1-2.6）～24 d（SSP5-8.5），可能会发生持续一个月以上的危害性温湿复合热浪和连续10 d以上的致死性温湿复合热浪。

（2）基准期危害性温湿复合热浪的影响范围和暴露人口约为74.8×104km2和1.7×108，近、中、远期影响范围约为77.4×104km2（SSP3-7.0）～88.5×104km2（SSP2-4.5）、83.6×104km2（SSP1-1.9）～92.2×104km2（SSP5-8.5）、79.4×104km2（SSP1-1.9）～95.1×104km2（SSP5-8.5），人口暴露度约为基准期的1.4～1.9 倍、1.6～2.1 倍、1.2～2.5 倍；影响范围和暴露人口最大值出现在远期，研究区内人口均会受危害性温湿复合热浪的影响。

（3）致死性温湿复合热浪在基准期的影响范围和暴露人口约为22.3×104km2和0.2×108，占基准期年均总人口的5%，近、中、远期影响范围和暴露人口较基准期呈增加趋势，影响范围约为27.7×104km2（SSP3-7.0）～54.0×104km2（SSP2-4.5）、36.0×104km2（SSP4-3.4）～70.8×104km2（SSP5-8.5）、31.7×104km2（SSP1-1.9）～93.3×104km2（SSP5-8.5），人口暴露度约为基准期的1.4～5.0 倍、4.3～9.6 倍、2.5～20.5 倍，致死性温湿复合热浪下暴露人口增加更迅速；暴露人口高值区主要由上海市和浙江省北部逐步扩大至研究区绝大部分地区。

温湿复合热浪直接影响人体热量交换，研究高温热浪考虑湿度和温度尤为重要。采用CMIP5 气候模式输出的气象数据对高温热浪的研究表明，未来全球热浪日数呈上升趋势（Coffel et al., 2018），结合SSP3 路径下人口预估数据，未来全球中低纬度地区和中国南方地区高温热浪下的暴露人口数呈增加趋势（Chen et al., 2020; 陈曦等, 2020a），未考虑未来人口的动态变化特征且考虑的气候变化情景较少。本文采用CMIP6 中输出情景较全的5 个气候模式和共享社会经济路径数据，考虑的未来气候情景较全，减少了研究结果的不确定性，结果表明长江中下游地区危害性/致死性温湿复合热浪的频次、影响范围、最长持续时间、暴露人口数均呈增加趋势。这与未来热浪频次、热浪日数、暴露人口数呈增加趋势的结论具有一致性（黄大鹏等,2016; Kang and Eltahir, 2018）。已有研究大多基于单一阈值研究全球或国家尺度的温湿复合热浪特征（Mora et al., 2017; Li et al., 2020），本文对长江中下游地区危害性/致死性温湿复合热浪进行了对比分析研究，结果表明：未来长江中下游地区危害性温湿复合热浪最长持续时间在30 d 以上，暴露人口较基准期增加2 倍以上；致死性温湿复合热浪最长持续时间在14 d 以上，而暴露人口增加20 倍以上，比危害性温湿复合热浪的暴露人口增加更显著。未来长江中下游地区危害性/致死性温湿复合热浪下暴露人口呈增加趋势，各情景下气候因素对长江中下游地区人口暴露度的贡献率达到50%以上，占主导地位，人口因素对人口暴露度的贡献率呈减小趋势，气候和人口共同作用的因素呈增加趋势，未来需加强对危害性/致死性温湿复合热浪的减缓、适应和防御工作。

现有多种综合温度和湿度的指数，如体感温度、湿球黑球温度、湿球温度等，本文仅采用湿球温度这一个指标对长江中下游地区未来温湿复合热浪的变化特征进行研究。虽然对CMIP6 中输出情景齐全的5 个气候模式进行了降尺度和偏差订正，在一定程度上降低了模式的偏差，但是模式数量较少，需在后续研究中不断完善，减少研究结果的不确定性。