城市高温灾害性天气影响分析与危害评估*——以长春市为例

范碧航，李宁，张继权，郭立

(1.地表过程与资源生态国家重点实验室(北京师范大学)，北京100875;2.民政部/教育部减灾与应急管理研究院，北京100875;3.东北师范大学自然灾害研究所，吉林长春130024)

目前国内外对高温灾害性天气的影响及危害的评估研究主要集中在产生高温天气的主要原因“城市热岛”效应的机制和减缓对策方面的研究。在高温灾害性天气影响和危害评估方面缺乏科学、客观、综合的评估指标体系。国内的气象学者对高温天气的研究已取得了一些有意义的成果，如张尚印[1]、项素清等[2]对中国东南部城市和区域高温天气的气候规律做出了研究，张金峰[3]等利用哈尔滨探空站资料对哈尔滨市高空气候变暖进行分析，张书娟[4]等以≥35℃的年高温天数作为量化指标来对高温灾害危险性进行评价，也有针对华南、广东等城市的气候变化、夏季异常高温天气的气候背景及成因进行研究。但这些研究有的所采用的气象数据时间序列的长度偏短，有的没有结合不同城市的不同地理环境及城市中相关生命线的相关统计数据进行比较和综合。现有研究范围多为全国尺度或以某些南方城市为代表，而统计发现高温灾害性天气对北方城市的影响更为严重，如张晶晶[5]等研究发现，中国所有区域平均气温在1990年代都呈现显著升高趋势，平均气温对全球变暖的影响具有35°N以北比以南地区变暖更为显著的特点。

1 研究区概况及高温灾害性天气的界定

1.1 研究区概况

长春是吉林省省会所在地，其地理坐标为43°05'～45°15'N，124°18'～127°02'E，南北距离217.5 km，东西长227 km，幅员18 881 km2，处于吉林省东部。截止目前，长春市辖区面积4 789 km2(长春市总面积20 604 km2)，市辖区人口为360.9万人(长春市总人口752.5万)，与1990年代相比，增加了近100万人。

就经济的总体情况而言，长春已连续近20年保持了GDP两位数以上的发展速度。2009年，长春的经济总量、固定资产投资、财政收入和工业总产值分别实现了15%、30%、20%和20%以上的增长，这四项主要指标的增幅在全国省会城市中都位居榜首。可以说，长春正处在工业化、城市化的高潮期。

1.2 高温灾害性天气

根据中国气象部门规定，中国高温灾害性天气的标准为:对长城以南，最高气温38℃，或者最高气温达到35℃，同时绝对湿度34 hPa;对于长城以北，最高气温36℃，或者最高气温达33℃，同时绝对湿度32 hPa。但是根据对研究区的调查统计，上述这种对高温灾害性天气的评价，并不适用于中国北方地区，不能做到因地制宜，因此本文将统计资料先按照30℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃和38℃这7个节点进行统计划分，最终根据结果对长春市进行高温灾害性天气等级的评估。

2 城市高温天气变化特征分析

2.1 长春市高温天气日数的年代变化特征

图11951 －2007年长春市(日T≥32℃)高温日数及持续高温天数的年变化图

统计资料表明(表1)，日T≥32℃高温天气在长春市的夏季还是很常见的，在1950、1960及1990年代高温天气出现较多，比1970、1980年代多出近一倍。日T≥34℃的高温天气同样在1950、1960及1990年代以及2000年以后出现较多，其中1960年代最多，平均每年有1.8 d。日T≥36℃的高温天气共出现了6次。日T≥38℃的高温天气只在1950年代出现过一次。从图1和表1中筛选出极端高温及连续高温个例如下:

①日T=38℃，出现在1951年7月9日;

②日T=36.7℃，出现在2001年6月4日;

③连续9 d高温天气，出现在1952年7月15日－7月23日;

④连续7 d高温天气，出现在2007年6月21日－6月27日。

表1 长春市各年代不同等级高温天气统计表

统计1981－2007年长春市各月份的高温天气(T≥32℃)日数分布(图2)。从图中可以看出，长春市高温天气集中出现在6、7、8三个月份，其中6月份最多，共59 d。年平均出现2.19 d。

图2 1981－2007年长春市高温日数(≥32℃)月份分布图

2.2 长春市气候变暖趋势分析

分析长春市1951－2008年平均气温距平序列(图3)，可知1951－2008年长春市气温变暖趋势明显，平均上升了2.7℃。这58年的温度变化率为0.46℃/10 a，高于深圳市1953－2005年间温度变化率0.31℃/10 a[6]，同时高于全国近54年温度平均变化率0.25℃/10 a[7]。这表明北方城市气候变暖趋势较南方城市显著，因此由气候变暖所带来的一系列影响甚至灾害也更加值得关注。

正交匹配追踪算法（OMP）对目标向量的分解更稀疏且收敛速度较快，因此，文中采用正交匹配追踪算法对稀疏表示系数进行求解。

图3 长春市1951－2008年平均气温距平序列

进一步分析长春市各年代的平均气温距平(表2)，1980年代增温最为明显，增幅开始增大。在1990年以前，长春市平均气温距平为负值，从1990年代起长春市平均温度距平开始为正值，且每一年代气温正距平年数所占比例逐年增大。这足以说明长春市气温变暖趋势越来越严重，增幅越来越明显。

表2 长春市1951－2008各年代平均气温距平及气温正距平年数

城市气候变暖的原因非常复杂，如城市热岛效应可能会导致极端高温事件频次增加[8]。而无论如何，不可否认的是人类活动与城市化进程的加剧对城市气温变化有着重要的影响。据统计调查1990年，长春市总人口637.8万人，其中，非农业人口232.7万人，城市化率为36.48%，市区人口为211万人，非农业人口为167.93万人，市区内的城市化率高达79.59%。至2005年底长春市总人口达到730.5万人，其中，非农业人口321.07万人，城市化率已经达到43.95%，与1990年相比，城市化率增长7.47%，长春市城市化发展速度大幅度提高。同时长春市城市扩张也在水平和垂直方向上同时进行。从1998年的145 km2增加到2004年的192.74 km2;市区建设用地规模也由1980年的104 km2增加到2004年的261.96 km2。

因此，将1984－2008年长春市人口、GDP变化与该时间段长春市平均最高气温变化进行对比(图4、图5)，旨在初步分析长春市气候变暖趋势。由图可知，长春市平均最高气温的线性变化趋势与长春市人口、GDP的线性变化趋势基本一致。这表明长春市人口数量的激增与城市的快速发展，及城市化进程的不断加剧是其气候变暖趋势明显的主要原因之一。

图4 长春市平均最高气温与人口的关系

图5 长春市平均最高气温与GDP的关系

3 城市高温灾害性天气影响及危害评估

3.1 长春市不同等级高温天气频数及频率统计

利用长春市1951－2007年气象数据统计不同等级高温天气出现的频数及频率(表3)。从表中可以看出，长春市的高温灾害性天气主要集中在32℃，占总年数的80%。出现大于38℃的天气仅有1年，频率为2%。

表3 1951－2007年长春市不同等级高温的频数及出现概率统计表

3.2 长春市高温灾害性天气异常及持续等级评估

统计长春市1951－2007年不同温度区间出现的次数及平均重现周期(表4)，针对该统计结果，可以将长春市的高温灾害性天气分为4个等级，归纳如下:

(1)一般性高温灾害性天气:最高气温≥32℃，较为常见。

(2)较严重高温灾害性天气:最高气温≥34℃，1～3年一遇。

(3)严重高温灾害性天气:最高气温≥36℃，18～28年不遇。

(4)特严重高温灾害性天气:最高气温≥38℃，50年不遇。

表4 长春市不同温度范围出现频次及平均重现周期

针对长春市1951－2007年不同温度区间的平均重现周期，同样可以将长春市高温灾害性天气分为4个等级，归纳如下:

(1)一般性连续高温灾害性天气，1～2 d。(2)持续性高温灾害性天气，3～4 d。

(3)较严重的持续性高温灾害性天气，5～6 d。

(4)严重持续性高温灾害性天气，≥7 d。

3.3 长春市高温灾害性天气影响及危害等级评估

经过上述对长春市50余年的高温灾害性天气做出的分析，并结合高温灾害性天气对居民的生产、生活所造成的影响，可以将长春市高温灾害性天气及其影响和危害作如下评估:

(1)一般高温灾害性天气:最高气温达32℃的高温天气或连续高温1～2 d。用电、水量快速增加，室外工作受影响，有一定的危害。

(2)较严重高温灾害性天气:最高气温达34℃的高温天气或连续高温天气3～4 d。用电负荷快速增加，用电量增幅明显，可能导致某些居民区的供电故障，用水量快速增加。

(3)严重高温灾害性天气:最高气温达36℃以上或连续高温天气5～6 d。用电负荷猛增，比同期增幅高出10%以上，或创造历史纪录，会导致大量居民区供电故障，中暑患者明显增多，用水量大，水资源出现匮乏。

(4)特严重高温灾害性天气:最高温度达到38℃以上或连续高温天气≥7 d。用电负荷严重超标，拉闸限电、工厂停工，大量居民区用电故障，中暑患者明显增多，用水量大，水资源匮乏。

对于上述等级评估，可以根据不同城市的具体情况做出适当调整后，应用在北方地区其他城市。

3.4 高温灾害性天气对城市供电的影响

2008年长春市高温天气非常严重，出现时间较往年有所提前，已构成城市高温灾害性天气。最高气温出现在6月16日，达到33.6℃。在此期间，长春市市区供电量较往年同期出现大幅度增加，如6月16日供电量为20 500 MWh，17日供电量达到20 901.25 MWh。据调查研究显示，这一期间内，长春市市区多处线路出现跳闸、强送不良现象。有些居民区出现不同程度的停电、断电等现象，对人们的生产、生活均造成了严重的影响和危害。

利用吉林省电力局提供的数据分析2008年长春市6－8月日供电量、日平均电力与温度的关系(图6、图7)。从图中可以看出，6月9－17日温度持续升高，而供电量也相应的呈上升趋势。

图6 2008年长春市日最高温度与日供电量关系

图7 2008年长春市6－8月日平均温度与日平均电力关系

4 结语

(1)长春市高温日数在1950年代初期及1960年代相对较多，从1970年代起至今，长春市高温日数呈现出递增的趋势，而高温日数的增加往往伴随着持续高温日数的增加。这种现象应该与全球气温变暖的大背景以及城市化进程加快、城市规模的增大密不可分。同时长春市高温灾害性天气主要发生在6、7、8三个月份，其中6月份出现的高温天气日数最多。

(2)研究发现，作为北方城市的代表，长春市1951－2008年的气候变暖趋势明显，这58年的温度变化率为0.46℃/10 a，高于全国近54年温度平均变化率0.25℃/10 a，甚至高于南方深圳市1953－2005年间温度变化率0.31℃/10 a，因此可以判断全球变暖的大趋势对北方高纬度地区的影响更加明显，而由于这种较明显的温度升高对北方城市生产生活，农作物生长等带来的变化和影响值得我们关注。

(3)1984－2008年长春市气温随时间的线性变化与长春市人口数量、GDP随时间的线性变化趋势较一致，这表明长春市的快速发展是长春市气温变暖的原因之一。这种城市化进程的加快势必对城市气温造成影响，而这是否是造成长春市气温变暖的主要原因，还有待研究分析。

(4)将北方城市高温灾害性天气划分为一般灾害性、较严重灾害性、严重灾害性及特严重高温灾害性天气4个等级，对每个等级下的天气状况，城市供水、供电特征均进行总结归纳。这种划分方式相对于中国对高温天气的界定更为符合中国北方城市的气候状况，便于对北方城市的高温灾害性天气等级进行更为准确的描述和判断。

(5)长春市供电量的整体趋势与温度的高低走势是相吻合的。这说明温度的高低变化对城市供电系统有着重要的影响。高温天气加大了城市生产生活对电的要求，同时也加大了城市供电系统的负荷，这种变化容易造成用电故障、用电危机等突发状况，在一定程度上对城市供电系统造成影响与危害。

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