邓甜甜， 耿广坡， 杨 睿， 张 保
（西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054）
IPCC第六次报告指出，2011—2020年全球地表温度比工业革命时期上升了1.09 ℃，未来20 a 全球温度升高将超过1.5 ℃［1］。在气候变化背景下，高温热浪事件的发生频次更高，波及范围更广［2-3］。作为一种极端天气，高温热浪不仅威胁到人们的生命健康，而且还会对工农业、生态环境以及社会的稳定发展造成极大危害。2003 年夏季强高温热浪事件席卷欧洲导致超3×104人丧生，农业损失超过1×1014USD［4-5］。2013年夏季中国长江流域中下游发生罕见的极端高温事件，导致上千人中暑，对工业、农业生产造成严重影响［6-7］。因此，科学认识高温热浪的发生规律对于减轻其不利影响具有重要作用，受到国内外学者的广泛关注［8-9］。
高温热浪作为一种气象灾害其具体标准主要依据高温对人体产生影响或危害的程度而制定。目前国际上还没有一个统一的高温热浪标准，国内外研究中高温热浪识别方法可大致分为三类：（1）绝对阈值法，通过日最高气温超过某一温度值来判定；
（2）相对阈值法，通过日最高气温超过某一分位数的温度来判定；
（3）热浪导致中暑或死亡的人数［10］。其中，前两种方法应用最为广泛。第一种方法多适用于区域尺度，如邢佩等［11］在华北地区利用绝对阈值法定义日最高气温≥35 ℃为1个高温日，并把高温热浪划分为3 个等级，结果发现华北地区年高温日数整体呈增加趋势，高、中、低不同等级高温热浪频次的空间分布特征相近，高频次区域均集中于内蒙古西部、山西西南部和河北南部。姜荣等［12］定义≥35 ℃为高温天气，连续5 d≥35 ℃为一次高温热浪过程，发现上海市1960—2013年极端高温天气呈增强趋势，尤其是2013年高温日数和高温热浪事件发生频次均达到最大值。第二种方法适用于全球和国家等大的空间尺度，如贾佳等［13］将95%分位数的气温作为高温阈值，发现中国区域平均高温日数呈现先减后增的变化趋势，且西北地区易发生弱高温热浪事件。Keellings等［14］利用气温超过95%分位数阈值的方法定义高温热浪，结果显示1981—2018年美国各地的热浪显著增加，且发现热浪强度和面积以及持续时间和面积都成显著正相关，表明热浪区域越大，其强度越强，持续时间越长。目前，国内高温热浪的研究取得积极进展，但研究区域主要集中在国家尺度和南方地区、华北地区等区域尺度［7-8,15］，在全球气候变暖背景下，西北地区升温非常明显，而在西北地区流域尺度的高温热浪研究还相对较少，高温热浪发生的时空规律还不清晰，量化指标也不够充足。
渭河流域是黄河流域的最大子流域，地理条件得天独厚，气候四季分明，是中国传统农业生产区域，其东南部关中平原更是中国重要的粮食生产基地和人口聚居区［16］，但因其处于黄土高原干旱区与湿润区过渡地带，是气候变化的敏感区和生态环境脆弱区，随着全球气候变暖不断加剧，渭河流域高温热浪易发。故本文选择渭河流域为研究区，利用高温日数、高温初终日、持续时间、高温热浪频次和强度等指标，综合分析近40 a 来渭河流域高温热浪的时空变化特征，研究结果有助于科学辨识高温热浪的流域性特征，可为渭河流域实施高温灾害防御和减轻灾害影响提供参考。
1.1 研究区概况
渭 河 流 域 处 于103°57′～110°16′E，33°42′～37°24′N 之间，横跨陕西省、甘肃省、宁夏回族自治区三省，总面积约为1.348×105km2。其中甘肃、陕西和宁夏分别占渭河流域面积的44.1%、49.8%和6.1%。渭河流域总体呈西部高东部低的地势，其中西部地区主要为黄土丘陵沟壑区，东南部主要为关中平原区，北部为黄土高原，南部为秦岭山区（图1）。渭河流域属于典型的大陆性季风气候，春季气温波动较大降水较少，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润降水较多，冬季寒冷干燥，年平均气温为7.8～13.5 ℃，年平均降水量450～700 mm。在气候变化背景下，渭河流域升温明显，高温热浪等气象灾害多发生［17-18］。
图1 渭河流域及其气象站点分布Fig.1 Distribution map of Weihe River Basin and its meteorological stations
1.2 数据来源及处理
本研究中使用的数据来自中国气象局国家气象信息中心发布的中国地面气候资料日值数据集（V3.0），研究时段为1980—2020 年，该数据集经过了严格的质量控制。根据站点分布和研究时段数据记录完整性，共选取渭河流域及其周边24个气象站点，其中陕西省14 个，甘肃省7 个，宁夏回族自治区3个（表1）。
表1 渭河流域选取气象站点基本信息Tab.1 Basic information of selected meteorological stations in the Weihe River Basin
1.3 研究方法
1.3.1 高温日与高温初终日本文参考国家气象局的规定和《气象灾害预警信号图标GB/T 27962-2011》，将日最高气温≥35 ℃作为1 个高温日。高温初日指每年第一次出现最高气温≥35 ℃的日期，高温终日指每年最后一次出现最高气温≥35 ℃的日期［11］。
1.3.2 高温热浪等级对于高温热浪分级标准，本文参照相关研究，将高温热浪分为轻度高温热浪、中度高温热浪、重度高温热浪3 个等级［11,14,19］，判别标准如表2所示。
表2 高温热浪等级判别标准Tab.2 Judgment standard of high temperature and heat wave grade
1.3.3 高温热浪强度高温热浪研究中，不仅要反映高温热浪的次数，还要表征高温热浪的强度。其中高温热浪事件的持续时间与高温热浪过程中日最高气温都是表征高温热浪强度的指标。为了更好地表征高温热浪，将高温热浪过程中日最高气温≥35 ℃的累积数定义为高温热浪强度。计算公式如下：
式中：Q为高温热浪强度；
n为某年该站出现的总热浪频次；
Tˉ为某年第i次热浪过程的平均日最高气温（℃）；
di为第i次热浪过程的持续日数［20］。
1.3.4Sen+Mann-Kendall趋势分析本文采用Sen趋势度与Mann-Kendall法相结合的方法对高温日和高温热浪事件的时空变化特征进行了分析。Sen 趋势度计算的是序列斜率对的中值，抗噪性强，但不能判断序列趋势的显著性。假设有n个样本xi,…,xn的时间序列，对于所有i，j≤n，且i≠j，xi和xj的分布是不同的。Sen趋势度的计算公式为：
式中：β为该序列的平均变化率以及事件序列的趋势。当β>0 时，序列呈上升趋势；
当β=0 时，序列趋势不明显；
当β<0 时，序列呈下降趋势；
Median 为取中值函数；
xi和xj为样本时间序列的值；
i和j为1,…,n的整数。
Mann-Kendall（M-K）趋势分析是一种非参数检验方法，用来检验基于时间序列的上升或下降趋势。其优点在于检验的样本不需要遵循某一特定的分布，且比较不容易受异常值的干扰。现已被广泛地应用于分析降水、径流和气温等要素时间序列的变化情况。其原理如下：
式中：S为检验统计量，呈正态分布，均值为0；
Sgn为秩序列；
方差为Var(S) =n(n- 1)(2n+ 5)/18。当n≥10时，标准正态系统变量（Z）可以通过以下公式计算：
对于Z>0 时，序列呈上升趋势；
Z<0 时，序列呈下降趋势；
且Z的绝对值在大于等于1.96、2.58 时，表示该序列通过了95%、99%置信度的显著性检验［21-23］。
2.1 高温日数的时空变化
从图2 可以看出，1980—2020 年渭河流域年均高温日数波动较大，但总体呈极显著增加趋势，趋势为0.92 d·(10a)-1，表明近40 a 来渭河流域高温日数以接近1 d·(10a)-1的速度逐渐增加。统计结果发现，渭河流域近40 a 来高温日数年平均值为3.54 d，其中，高温日数最多的年份是1997 年和2017 年，分别为10.3 d 和10.8 d，高温日数最少的年份是1983年和1984 年，均为0.3 d。将研究时段分为4 个时段（1980—1989 年、1990—1999 年、2000—2009 年、2010—2020 年），从不同时段来看，高温日数呈逐步增长趋势，4 个时段平均高温日数分别为1.71 d、3.52 d、4.03 d和5.24 d。
图2 1980—2020年渭河流域年均高温日数的时间变化Fig.2 Time changes of the average annual high temperature days in the Weihe River Basin from 1980 to 2020
渭河流域高温日数呈现从西北到东南逐渐递增的态势，其空间分布差异明显，高温日数较大的区域主要分布在渭河流域的东南部（图3a），高温日数超过4 d 的有蒲城、陇县、凤翔、武功、耀县、秦都、商州，其中蒲城、武功和秦都的高温日数明显高于其他站点，分别为20.0 d、15.7 d、18.6 d。天水和定边高温日数达2 d及以上，分别为2.2 d和2.0 d，渭河流域其他站点高温日数不足2 d。从高温日数变化趋势的空间分布看（图3b），除华家岭、西吉、六盘山、固原、岷县、太白、华山无高温日数记录的站点外，渭河流域其他站点高温日数都呈增加趋势。其中蒲城、武功、秦都增加趋势都超过了3 d·(10a)-1，尤以武功增加趋势最大，达到了4 d·(10a)-1。高温日数变化趋势高的站点主要位于渭河流域南部，且临洮、陇县、凤翔、西峰、吴旗、洛川、耀县、商州都通过了0.01 显著性检验，天水、崆峒、秦都、蒲城、永寿通过了0.05 显著性检验。渭河流域南部站点增加趋势显著，大部分都通过了0.01 显著性检验，北部站点增加趋势较为显著，基本通过了0.05 水平的显著性检验，中部站点增加趋势不显著。
图3 1980—2020年渭河流域各站年均高温日数及其变化趋势的空间分布Fig.3 Spatial distributions of the average annual high temperature days and its change trend at each stations in the Weihe River Basin from 1980 to 2020
2.2 高温初日和终日变化特征
从图4a 可知，渭河流域高温初日多出现在6 月下旬，高温初日最早出现在5月上旬，分别在陕西省的定边、蒲城、凤翔和秦都。从渭河流域不同年份高温初日出现的极端情况来看，环县、武功、耀县、商州最早在4 月就出现高温，分别在2006 年4 月30日、2004 年4 月21 日、2006 年4 月29 日和2011 年4月29日。就高温初日变化趋势的空间分布而言（图4b），渭河流域除定边、吴旗、环县、耀县呈现推迟趋势外，其他站点高温初日都呈提前趋势。高温初日呈推迟趋势的站点分布于渭河流域北部宁夏自治区境内。其中，临洮、吴旗、西峰、洛川、陇县、凤翔、耀县、商州通过了0.01 显著性检验，崆峒、蒲城、天水、永寿、秦都通过了0.05 显著性检验，崆峒高温初日提前趋势最大，达到-8.16 d·(10a)-1；
商州提前趋势最小，为-0.60 d·(10a)-1。高温初日的变化趋势无明显空间差异性。
图4 渭河流域高温初日及其变化趋势Fig.4 First day of high temperature and its change trend in the Weihe River Basin
由图5a 可知，渭河流域高温终日多出现在9 月上旬，但也有部分站点出现在7 月下旬，分别是临洮、崆峒、西峰以及长武；
但位于渭河流域北部的定边、吴旗、环县高温终日出现在8月。从不同年份高温终日的极端情况来看，高温最晚结束于9月下旬，出现在武功和秦都的2013 年9 月16 日以及商州2013 年9 月14 日。就高温终日变化趋势的空间分布而言（图5b），渭河流域站点高温终日既有提前也有推迟，高温终日提前的站点主要分布于渭河流域中部地区，分别为临洮、崆峒、西峰、长武、洛川、永寿，其余站点高温终日都呈推迟趋势。其中临洮、吴旗、环县、崆峒、西峰、长武、洛川、蒲城、天水、凤翔、耀县、商州都通过了0.01 显著性检验，秦都通过了0.05显著性检验。崆峒和洛川高温终日提前趋势最明显，分别达到了-8.28 d·(10a)-1和-8.15 d·(10a)-1，都提前超过8 d·(10a)-1；
环县高温终日推迟趋势最明显，达到了7.99 d·(10a)-1，定边、吴旗、武功、秦都、商州高温终日推迟趋势也较为明显，都达到3 d·(10a)-1以上。
图5 渭河流域高温终日及其变化趋势Fig.5 Last day of high temperature and its change trend in the Weihe River Basin
2.3 高温热浪事件特征
2.3.1 高温热浪等级和频次统计分析表明，1980—2020 年渭河流域24 个台站共发生了465 次高温热浪事件，其中轻度高温热浪300次，占总高温热浪事件的64.52%；
中度高温热浪117 次，占总高温热浪事件的25.16%；
重度高温热浪48 次，占总高温热浪事件的10.32%（表3）。轻度高温热浪占总高温热浪一半以上，由此可以看出，渭河流域更易发生轻度高温热浪，中度高温热浪次之，重度高温热浪发生的最少，但每10 次高温热浪事件中至少有1 次是重度高温热浪。
表3 1980—2020年渭河流域不同等级高温热浪事件统计Tab.3 Statistics of high temperature and heat wave events of different grades in the Weihe River Basin from 1980 to 2020
各站累计不同等级高温热浪频次的空间分布如图6a～c 所示。华家岭、固原、西吉、六盘山、崆峒、岷县、洛川、太白、华山共9个站点无轻度高温热浪，其中蒲城、武功、秦都轻度高温热浪次数最多，分别为68 次、59 次、89 次；
临洮、华家岭、固原、西吉、六盘山、崆峒、西峰、长武、岷县、太白、华山共11 个站点无中度高温热浪，比无轻度高温热浪事件站点增加了2个，蒲城、武功、秦都中度高温热浪次数最多，分别为39 次、31 次、41 次；
仅定边、蒲城、陇县、凤翔、武功、耀县、秦都7个站点发生重度高温热浪，其余17 个站点均无重度高温热浪事件，其中蒲城、武功、秦都重度高温热浪次数最多，分别为20 次、11次、13 次。可以看出，不同等级高温热浪频次在空间分布上较为一致，轻度、中度、重度高温热浪次数最多的站点均为陕西省的蒲城、武功、秦都。此外，陇县、凤翔、耀县、商州轻度高温热浪和中度高温热浪频次也相对较高，不同等级高温热浪频次较高的站点都位于渭河流域东南部的关中平原。
此外，累计热浪频次最多的站点和轻度、中度、重度高温热浪次数最多的站点一样，也是蒲城、武功、秦都，分别达到113 次、143 次和95 次，与不同等级高温热浪频次空间分布大体一致（图7a）。热浪累计频次除华家岭、固原、西吉、六盘山、崆峒、岷县、太白、华山8 个没有发生高温热浪事件的站点外，其余都呈增加趋势（图7b）。其中耀县、秦都通过0.01 显著性检验，临洮通过0.05 显著性检验。秦都增加趋势最明显，达到0.59 次·(10a)-1，临洮变化趋势最小，为0.01 次·(10a)-1。
图7 渭河流域各站累计高温热浪频次及其变化趋势的空间分布Fig.7 Spatial distributions of cumulative high temperature and heat wave frequency and its change trend at each stations in the Weihe River Basin
2.3.2 高温热浪持续时间和强度从各站点高温热浪平均持续天数来看（图8a），热浪持续时间较长的站点都分布于渭河流域东南部，空间分布具有差异性，且与高温热浪事件发生频次在空间上具有一致性。渭河流域高温热浪总平均持续天数大部分在1～5 d 之间，其中蒲城、秦都、武功热浪持续天数最长，都达到10 d 以上，分别为12.9 d、12.9 d、10.0 d，与不同等级高温热浪发生次数最多站点具有一致性。陇县、凤翔、耀县和商州热浪持续天数在2 d 以上，分别为2.0 d、2.8 d、3.7 d和2.3 d。渭河流域其余各站热浪持续天数都在2 d 以下，可以看出热浪持续天数最长的站点均位于渭河流域陕西省内。从趋势上看（图8b），除未发生高温热浪的站点外其他站点都呈增加趋势，增加天数较多的站点主要分布于渭河流域南部。其中定边、长武、商州通过了0.05显著性检验，秦都通过了0.01 显著性检验，武功平均持续天数增多趋势最明显，达到2.8 d·(10a)-1。
图8 渭河流域各站高温热浪总平均持续天数及其变化趋势的空间分布Fig.8 Spatial distributions of the total average duration of high temperature and heat waves and its change trend at each stations in the Weihe River Basin
高温热浪强度可以综合表征持续时间和最高温度信息，利用公式（1），计算并获取了各站点近40 a来高温热浪强度（图9）。结果发现，渭河流域高温热浪强度的空间差异较明显，强度较高站点主要分布在流域南部，强度基本大于2，北部站点也较高，强度在0.5～1.0 之间，仅中部站点高温热浪强度较低，在0.0～0.5 之间。其中蒲城、秦都高温热浪强度最高，分别为7.23和6.93。
图9 1980—2020年渭河流域各站高温热浪强度的空间分布Fig.9 Spatial distribution of high temperature and heat wave intensity at each stations in the Weihe River Basin from 1980 to 2020
从不同时段来看（图10），渭河流域近40 a 来高温热浪强度整体呈显著上升趋势，趋势为4.8 d·(10a)-1，且1980—1989 年增幅最为明显，可以看出1990年之前渭河流域高温热浪强度偏低，1990年后高温热浪强度剧增，这表明随着全球气候变暖的加剧，渭河流域高温热浪强度可能会进一步增强，这会对人类健康、工农业生产等造成严重威胁，需要得到足够的重视。
图10 不同年代际渭河流域高温热浪强度Fig.10 Intensity of high temperature and heat wave in the Weihe River Basin in different decades
高温热浪容易对人体健康造成不利影响，许遐祯等［24］发现高温热浪过程造成的人群超额死亡率在20%以上，且对0～5 岁的婴幼儿和60～80 岁的高龄人群危害较大。刘建军等［25］发现热浪除直接造成人类死亡外，还会加速呼吸系统、消化系统及心血管等疾病的发病进程，渭河流域人口主要集中在东南部的关中盆地（图11），而人口高密度区域与高温热浪高强度区域在空间上是基本重合的，这严重威胁着流域人口尤其是脆弱性人群的身体健康和生命安全，因此，要重点加强渭河流域高危害性高温热浪的预警与防范。
图11 2000、2010年渭河流域人口密度空间分布Fig.11 Spatial distributions of population density in Weihe River Basin in 2000 and 2010
总体来看，渭河流域大部分区域自20 世纪80年代以来，高温日数及高温热浪事件均呈显著增加趋势，同时也存在明显的空间差异性。程肖侠等［26］研究发现近半个世纪以来陕西省高温频次明显增多、强度明显增强，且高温热浪频次呈南多北少、东多西少的分布特征，同时高温初日呈提前趋势，高温终日呈推迟趋势。姬霖等［27］研究发现1960—2017 年渭河流域日最高温呈增长趋势，与全球气温变化趋势基本一致，特别是20 世纪80 年代后上升速率明显加快，这与本研究的结果是基本一致的。
渭河流域高温热浪的空间差异性是由多种因素引起的，首先是地理位置和地形因素，由于渭河流域地势西部高东部低，且南部为秦岭，北部为黄土高原，东南部为关中平原，从结果可以看出，海拔较高的几个站点如太白和华山就没有高温记录；
其次是城市热岛效应，相关研究指出20 世纪80 年代以来随着城市化和工业化速度的加快，城市热岛效应更加显著，且热岛效应影响下的气温变化和中国以及全球气温变化相一致［28］，本研究中高温热浪强度较高的站点集中于关中城市群，城市热岛效应一定程度上加剧了高温热浪。此外，部分研究发现高温热浪的变化与降水日数、年际/年代际尺度的大气环流模式、土壤湿度密切相关［29-31］。本研究还存在一些不足，如研究中高温热浪结果是基于站点数据，区域代表性稍显不足，后期研究中将考虑采用气象栅格数据提高结果可靠性。同时，本研究仅限于高温热浪时空变化特征分析，并未涉及高温热浪发生机理及原因，由高温热浪导致的经济和生态环境等的影响还有待进一步研究。
（1）渭河流域1980—2020 年高温日数以接近1 d·(10a)-1的速率呈极显著增加趋势，多年平均值为3.54 d，高温日数最多的年份是1997 年和2017 年，分别为10.3 d 和10.8 d。高温日数各站点呈现出从西北到东南逐渐递增的空间分布特征，高值站点主要分布在渭河流域的东南部，其中以关中平原站点高温日数增加趋势最为显著。
（2）高温初日最早时间在4 月下旬，高温终日最晚时间在9 月上旬，高温初终日时间间隔最长约5.5个月。除无高温数据的站点外，趋势分析表明渭河流域大部分的站点高温初日呈显著性提前，提前天数约3～5 d·(10a)-1，接近一半的站点高温终日呈显著性推迟，推迟天数约3 d·(10a)-1，这表明渭河流域受到高温影响的总时间变长了。
（3）近40 a 来渭河流域轻度、中度和重度高温热浪发生次数占比分别为64.52%、25.16% 和10.32%，不同等级高温热浪频次较高的站点都位于流域东南部的关中平原，且与热浪持续时间和高温热浪强度空间特征一致，其中累计热浪频次、热浪持续时间和热浪强度最高的站点都为关中平原的蒲城、武功和秦都，说明关中平原是渭河流域高温热浪的重心。
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