上海地區(qū)天氣類型的初步研究

基于最高溫度或熱指數(shù)的熱浪監(jiān)測系統(tǒng)近年來，隨著世界氣候溫暖濕潤，城市化進程的加快，世界熱島效應變得越來越重要。許多文獻表明，熱浪會增加人類的發(fā)病率和死亡率。在國內(nèi)和世界上的許多城市都發(fā)布高溫或熱浪警報。按照中國氣象局的規(guī)定,日最高溫度大于35℃發(fā)布高溫預報;而美國國家天氣局則依據(jù)綜合考慮了溫度和相對濕度影響的“熱指數(shù)”(也稱顯溫,ApparentTemperature)發(fā)布高溫警報,當白天熱指數(shù)預計連續(xù)兩天有3h超過40.5℃或者預計熱指數(shù)在任一時間超過46.5℃,美國國家天氣局就發(fā)布高溫警報。然而基于最高溫度或熱指數(shù)的預警系統(tǒng)在很多方面存在缺陷。首先,它假設人體是對溫度和相對濕度兩個氣象要素的綜合反應,而沒有考慮其它一些氣象要素起的重要作用。第2,沒有把連續(xù)幾個高溫日對健康的負面影響考慮進去。也沒有考慮發(fā)生在初夏的熱浪要比發(fā)生在夏末的熱浪對人體的影響要大得多。第3,用最高溫度或者熱指數(shù)值確定的高溫天氣缺乏發(fā)病率與死亡率的驗證。第4,僅僅發(fā)布高溫警報,不可能對發(fā)病率或者死亡率作出估計。事實上人體對熱浪的反應是許多氣象要素綜合作用的結(jié)果,而非單個氣象要素的作用。所以,一個合適的評價天氣與健康關系的方法就是對某地進行逐日天氣分類,確定對人類健康有負面影響的高危險氣團或者說是“侵人型(offensive)”氣團,“侵人型”氣團控制下的熱浪天氣和人類死亡率的增加存在直接的聯(lián)系。在WMO/WHO資助下,費城、羅馬等地已經(jīng)建立了基于“侵人型”氣團分類的熱浪監(jiān)測預警系統(tǒng)。上海地處中緯度地區(qū),屬于易受熱浪侵襲的城市,并且積累了較好的氣象和死亡率方面的資料,因此在WMO/WHO資助下,上海市氣象和衛(wèi)生部門與美國特拉華大學合作,開展“上海熱浪與健康監(jiān)測預警系統(tǒng)”這一示范項目。探討上海地區(qū)極端高溫、“侵人型”氣團和人類死亡率增加之間存在的密切關系,并在此基礎上研制和建立上海熱浪與健康監(jiān)測、預警系統(tǒng),可以為公眾和相應的衛(wèi)生部門提供信息、預報熱浪并采取對策,挽救生命。1數(shù)據(jù)和方法1.1評論員日天氣觀測資料確定的類型系統(tǒng)建設所用的氣象資料為上海(寶山站)1989～1998年逐日4次(02:00、08:00、14:00、20:00,北京時,下同)地面氣象觀測資料,包括氣溫、露點溫度、海平面氣壓、風速、風向和云量等要素,由這24個變量可以確定逐日天氣類型。1.2確定一個典型的日期系統(tǒng)采用美國特拉華大學開發(fā)研制的SSC天氣分類方法(SpatialSynopticClassification)。和許多其他的氣團分類方法不一樣,SSC著眼于氣團的氣象要素以及變化特征而非氣團的地理發(fā)源地,它僅僅考慮地面氣象條件,而忽略氣壓形勢、鋒面及高空氣流狀況等。SSC確定的上海地區(qū)的主要氣團類型及其典型的氣象特征見表1。上海夏季高溫高濕情況非常普遍,因此對于氣團為MT類型的日子再劃分成兩類,把溫度和露點均超過MT類型的平均值的日子劃分為MT+類型,否則仍為MT類型。為了能夠把歷史上或者未來的某一天歸并為表1中的某一氣團類型,SSC關鍵的工作就是從歷史資料中挑選每種氣團類型的種子日(seeddays),即代表某一氣團類型的具有典型氣象特征的日子。種子日選擇經(jīng)過以下幾步:a選擇氣象變量(4個時次的溫度、溫度露點差,日平均云量,日平均海平面氣壓,溫度日較差及露點日較差等12個變量);b量化典型氣象特征,尋找不同的氣團類型在不同月份各氣象要素的變化范圍;c利用判別函數(shù)進行判別分析;d翻閱天氣圖確認所選擇的日子對于某種特定的氣團具有代表性;e如果種子日沒有代表性,則修改標準,重復上述各步,直至選出為止。一旦選擇好了特定天氣類型的種子日,系統(tǒng)通過判別函數(shù)分析把歷史上或未來的某一天與各天氣類型的種子日進行相似性比較,判斷某日氣象特征與哪個天氣類型的種子日最為相似,就將該日歸并為此天氣類型,由此可以形成天氣類型日歷。根據(jù)1989～1998年氣象資料,計算出10年逐日天氣類型日歷,各月氣團類型出現(xiàn)的頻率見表2。從表2可以看出每個月不同的氣團類型出現(xiàn)的頻率有很大差異,上海夏季出現(xiàn)的氣團類型主要是MT和MM,偶爾也有其他天氣類型。而從上海夏季各氣團類型氣象要素平均值可以看出(表3),MT+相對于其他氣團類型具有更高的溫度和露點。1.3上海人口死亡率監(jiān)測上海市疾病控制與預防中心建立了詳細的死亡數(shù)據(jù)庫,并提供了1989～1998年逐日死亡資料,包括總死亡數(shù)、老年人群(65歲以上)死亡數(shù)、非老年人群(65歲以下)死亡數(shù)、男性死亡數(shù)、女性死亡數(shù)等。所有死亡數(shù)資料隨相應時段上海總?cè)丝诘淖兓髁苏{(diào)整,形成上海人口死亡率資料。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)1989～1998年上海夏季平均死亡數(shù)隨著年份有增加的趨勢,因此我們采用下式將逐日死亡數(shù)進行標準化,得到標準化死亡數(shù),并用統(tǒng)計學方法計算標準偏差。Ms=Mo-McMc=5.4411(Y-1988)+191.89式中Ms為標準化死亡數(shù),Mo為逐日實際死亡數(shù),Mc為夏季平均死亡數(shù)趨勢項,Y為年份。1.4逐步回歸分析在以上天氣分類的基礎上,分析在不同氣團類型下的人群死亡情況如表4所示,從表4中可以看出:(1)MT+氣團類型具有最高的標準化總死亡數(shù),說明MT+氣團類型是上海地區(qū)引起熱浪的“侵人型”氣團,它的一個顯著特點就是溫度和露點溫度高、西南風、多云天氣。MT+比其他7種天氣類型具有更大的死亡數(shù),其平均總死亡數(shù)比在其他7種天氣類型下多35～63人/天;(2)65歲以上老年人群為熱浪的敏感人群,較易受熱浪襲擊而死亡,死亡數(shù)在MT+天氣類型下最多,而65歲以下人群死亡數(shù)在各種天氣類型下相差不大,在MT+天氣類型下也沒有非常明顯的增加。(3)從性別來看,男性和女性人群均在MT+天氣類型下具有較高的死亡數(shù),說明MT+氣團類型對于男性和女性具有同樣的攻擊性。MT+天氣類型具有最高的死亡數(shù),同時也具有最大的標準偏差,說明在同樣的MT+氣團類型下,死亡數(shù)的差異也是非常顯著的。因為在這種“侵人型”氣團類型下,還有其他的一些氣象或社會、經(jīng)濟等因素影響死亡率的高低,如溫度的高低、“侵人型”天氣類型持續(xù)的時間長短、對高溫的適應能力大小等等。為了能夠?qū)ふ业健扒秩诵汀睔鈭F下哪些因素對死亡率的影響比較大,我們采用了逐步回歸分析。以死亡數(shù)超出常年同期平均值的超額死亡數(shù)作為逐步回歸分析中的預報量,考慮了以下變量參與逐步回歸分析:(1)當日和前一日4時次(02:00,08:00,14:00和20:00)的顯溫及其平均、最高和最低值。顯溫公式如下所示:Tap=-2.653+0.994Ta+0.0153T2d式中:Tap為顯溫,Ta為氣溫,Td為露點溫度。(2)14:00溫度和露點溫度,(3)02:00溫度,(4)日平均云量,(5)當日和前一日的冷卻程度(C),冷卻程度由下式計算:C=(T02-20)+(T08-20)+(T14-20)+(T20-20)式中:T02、T08、T14、T20分別為02:00、08:00、14:00、20:00的氣溫。(6)日序(5月15日為1,5月16日為2,以此類推),(7)連續(xù)出現(xiàn)MT+的日數(shù)(D)。經(jīng)過逐步回歸分析發(fā)現(xiàn),超額死亡數(shù)與當日的日平均顯溫以及連續(xù)出現(xiàn)MT+的日數(shù)關系最為密切,于是得到因受熱浪侵襲而超正常死亡的回歸方程為:E=-430.8+(D5×15.65)+(Tapm×11.71)其中:E為由于熱浪引起的超額死亡數(shù),D5為出現(xiàn)MT+天氣類型的日數(shù)(不大于5,如第1天出現(xiàn)MT+為1,第2天出現(xiàn)MT+為2,第5天及5天以上為5),Tapm為02:00、08:00、14:00、20:00四個時次的平均顯溫。建立此回歸方程的樣本數(shù)為174,復相關系數(shù)0.51,通過信度為0.01的F檢驗。2“侵人型”氣團的預警和預報熱浪與健康預警系統(tǒng)建成以后,氣象部門會同衛(wèi)生部門將發(fā)布相應的熱浪與健康警報。熱浪與健康警報將立足于預報夏季導致死亡數(shù)增加的“侵人型”氣團類型的是否以及何時到來,熱浪對死亡率有多大的影響。上海熱浪與健康預警系統(tǒng)采用上海有限域數(shù)值預報48h預報結(jié)果,可以提前48h預報“侵人型”氣團的到來,一旦出現(xiàn)該氣團類型,系統(tǒng)將進一步預測由于熱浪引起的超額死亡數(shù),并給出熱浪影響的相應等級,傳送到政府有關部門或者通過媒體對外發(fā)布,以便采取措施,減輕熱浪影響,從根本上達到挽救生命的目的。上海熱浪監(jiān)測預警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。一旦發(fā)布熱浪預警,上海市衛(wèi)生部門會同有關部門一起,采取一系列措施來應對和減少熱浪侵襲的影響。與電臺、電視臺、報紙等媒體聯(lián)系,使公眾能夠及時得到熱浪警報;公共衛(wèi)生部門本身及通過媒體增加有關熱浪知識的宣傳教育,宣傳如何防御熱浪、避免致病,特別是對易受熱浪侵襲的危險人群加強宣傳和服務工作;醫(yī)院、社區(qū)服務做好充足準備;供電、供水部門保證熱浪警報期間足夠的電力和水源供應;提醒居民熱浪來臨時應盡可能打開空調(diào)或到較涼爽環(huán)境下避暑等等,盡量減少因受熱浪影響而致死致病的人數(shù)。3熱浪與健康預警的可行性1989～1998年上海夏季的死亡數(shù)其標準差(σ)為39人,日超額死亡數(shù)大于1σ的日子認為是高死亡的日子,對照形成的天氣類型日歷,得出了上海夏季(5月15日～9月30日)引起高死亡的氣團類型如表5所示,超額死亡數(shù)在39人(>1σ)以上的日子共有125天,MT+氣團類型占了相對多的頻率(51%),而死亡數(shù)大于79人(>2σ)的日子共有27天,MT+氣團類型便占了96%,氣團類型與死亡數(shù)升高具有非常密切的關系,因此基于天氣分類建立熱浪與健康預警是可行的。1998年上海出現(xiàn)了歷史上罕見的熱浪天氣,按照國家基本站寶山站的觀測資料,上海最高氣溫>35℃的天數(shù)為19天,極端最高氣溫達37.8℃(市區(qū)徐家匯為39.4℃),其中7月8～20日,8月1～3日,8月7～17日,8月21～23日出現(xiàn)4次3天以上的熱浪過程,尤其7月7～17日和8月7～17日這兩次熱浪過程溫度高、持續(xù)時間長,死亡率明顯增加。最高溫度35℃以上的高溫日,系統(tǒng)都把該日判定為“侵人型”的MT+氣團類型,可以發(fā)布熱浪警報,并且系統(tǒng)對雖然沒有達到35℃但同樣具有高死亡數(shù)的熱浪也有預警功能(這樣的情況1998年有8天)。超額死亡數(shù)的預報值與實況的相關系數(shù)為0.64(通過了0.001信度檢驗)。為了檢驗系統(tǒng)的可預報性,我們利用1999年的實測氣象資料和相應時段的死亡數(shù)資料對上海熱浪與健康監(jiān)測預警系統(tǒng)進行了檢驗,1999年上海屬于高溫日較少的年份,全年僅9月11日1天最高氣溫超過35℃,系統(tǒng)監(jiān)測到了9月8～13日這一段熱浪過程,系統(tǒng)預測這期間熱浪引起的超額死亡數(shù)累計值為346人,實況為271人?？梢钥闯鱿到y(tǒng)對熱浪具有較好的監(jiān)測和預警效果。系統(tǒng)目前正在進一步檢驗和完善之中,2001年夏季投入試驗運行,上海氣象與衛(wèi)生部門可望于2002年起正式對外發(fā)布熱浪警報。4應用數(shù)據(jù)的方法建立熱浪監(jiān)測系統(tǒng)的可行性(1)僅用溫度和顯溫來預測熱浪對人體健康的影響是不全面的,必須考慮其他因素的影響。(2)應用SSC天氣分類方法進行逐日天氣分類建立天氣類型日歷,結(jié)合死亡資料分析得出氣團類型與死亡率具有非常密切的關系?；赟SC天氣分類方法建立熱浪與健康的監(jiān)測預警系統(tǒng)是可行的。(3)在上海地區(qū)MT+氣團類型是引起熱浪的“侵人型”氣團,這種天氣類型下具有最高的夏季死亡率,65歲以上的老年人群