《GeoHealth》：High-Resolution Modeling of Wet Bulb Globe Temperature Reveals Substantial Heat Risks Across Crops and Work Shifts Among Agricultural Workers in Southern California
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农业劳动者极易受到热应激（heat stress）的危害，这可能升级为热衰竭或热射病等与热相关的疾病，并造成生产损失。热暴露因季节、轮班时间、适应性（acclimatization）和工作负荷的不同而存在显著差异。研究人员利用天气研究与预报模型（WRF）输出的
农业劳动者极易受到热应激（heat stress）的危害，这可能升级为热衰竭或热射病等与热相关的疾病，并造成生产损失。热暴露因季节、轮班时间、适应性（acclimatization）和工作负荷的不同而存在显著差异。研究人员利用天气研究与预报模型（WRF）输出的2020年参考年份数据计算湿球黑球温度（WBGT），考察了南加州帝国谷（Imperial Valley）和科切拉谷（Coachella Valley）的热应激超限频率。WBGT临界阈值80℉在8月份有超过500小时的超限，在4月、5月和6月等关键收获月份也有可观的超限。8月份阈值超限最为频繁，帝国谷白天（夜间）超限率为96.3%（38.0%），科切拉谷为72.5%（11.9%）。对于未适应性工人，大多数作物环境中的职业WBGT限值均被超出；即使在适应性工人中，椰枣和甘蔗收获期间的限值也被超出。将工作时间调整至清晨或傍晚轮班可使劳动者的生产损失降低高达40%。基于这些发现，研究人员提出了若干缓解农业劳动者热风险的策略：（a）调整工作时间以纳入较凉爽的清晨或傍晚时段；（b）使用WBGT而非气温监测热暴露；（c）采用弹性休息制度；（d）减少夏季夜间热暴露以促进日间热暴露后的恢复；（e）在高风险作物区采取额外预防措施；（f）避免夏季夜间灌溉；（g）修订用于识别热浪的阈值和定义。
## 研究背景与问题
热应激对户外劳动者健康构成严重威胁，农业劳动者尤为脆弱。热应激可导致从热相关疾病到热射病死亡等一系列健康后果，同时也会影响工人生产力（productivity），因为工人会主动降低劳动强度以应对高温并减少受伤风险。尽管基于气象学的指标如气温、热指数（heat index）和湿球黑球温度（WBGT）可为劳动者热暴露提供替代指标，但农业劳动者的工作时间高度可变，包括夜间作业，且因作物类型而异，这在统计热暴露指标时需要充分考虑。
帝国谷和科切拉谷（ICV）拥有加利福尼亚州最大的农业区之一，供应美国大量水果和蔬菜消费。帝国县报告的与热相关疾病发病率居加州之首。该区域在任何给定月份约有20,000名农业劳动者，约占加州农业就业总数的30%，且大多数为来自墨西哥墨西卡利边境城镇的季节性拉美裔移民工人。尽管存在大量户外农业劳动者，但针对该区域热暴露的全面时空评估仍然缺乏，特别是在收获密集期而非常见的夏季时段。
不同作物具有不同的植被绿度、种植密度、植株高度以及种植/收获季节，这些因素都会影响地表温度、气温和湿度水平，因此热暴露预期在不同作物环境中存在差异。此外，高价值或易腐烂作物如水果、蔬菜和特色作物往往需要密集型手工劳动，而轮班时间也因作物而异：绿叶蔬菜可能在夜间收获以保持膨压和风味，而果园作物可能因照明和安全挑战在白天收获。研究人员指出，关于农业工作时间的详细信息往往不易获取，这为计算工作时段的热指数带来困难。
## 研究目的与技术方法
为应对上述问题，研究人员利用WRF模型输出的高分辨率（1公里网格）数据，计算WBGT作为热应激指标，以评估ICV地区农业劳动者工作环境中热应激阈值的Exceeded频率。研究具体回答以下问题：收获季节热应激限值Exceeded频率如何？热暴露如何因工作时间、季节和作物类型而变化？可能的农业劳动者热应激缓解策略有哪些？
研究所用的关键技术方法包括：采用WRF模型版本4.4进行高分辨率数值模拟，设置三个嵌套域，水平分辨率分别为9公里（d01）、3公里（d02）和1公里（d03），最精细域d03涵盖帝国谷全部农业区并向北延伸至科切拉谷。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析数据作为初始和边界条件。模型配置包括：Grell-Freitas对流参数化方案、Morrison双矩微物理方案、YSU行星边界层方案、RRTMG短波和长波辐射方案、修订MM5 Monin-Obukhov表层方案，以及社区Noah-MP陆面模型。灌溉在Noah-MP中基于叶面积指数（LAI）阈值和美国农业部县级灌溉数据应用，采用喷灌方式至土壤含水量达田间持水量。
WBGT计算采用Kong和Huber（2022）开发的PyWBGT包中的Liljegren方法，该法被视为计算WBGT的"金标准"，其WBGT_GCM公式在原有短波辐射基础上纳入长波辐射。所需输入参数包括：2米干球温度（DBT）、相对湿度、地表气压、10米风速、地表向下和向上太阳辐射、地表向下和向上长波辐射、太阳天顶角，以及直接水平太阳辐照量与总水平太阳辐照量之比。研究人员还利用WRF输出的有灌溉和无灌溉情景对比分析灌溉对WBGT的影响。
作物类型热暴露通过将有效WBGT（WBGTeff，含服装校正）在作物收获工作轮班和日历月份上取平均来确定。工作时间和收获月份信息通过多种来源汇编，包括与农场工人倡导组织Lí覆盆斯·坎佩奇纳斯代表的会议、与27名农场工人和9名 peer managers（"mayordomos"）的访谈和焦点小组，以及300名农场工人的调查数据。不同作物的代谢率参考了全球文献，对于缺乏直接数据的作物，采用基于加速度计估计的代谢当量间接推算。
研究人员采用美国全国职业安全卫生研究所（NIOSH）和美国政府工业卫生学家会议（ACGIH）推荐的WBGT阈值框架，包括针对未适应性工人的建议警戒限（RAL）和适应性工人的建议暴露限（REL），考虑服装调整因子（双层服装增加3°C/5.4°F）。生产损失计算基于Kjellstrom劳动响应函数（LRF），该函数建立于南非矿工和印度水稻收获工人的实测数据，表达为工人在给定WBGT下可安全工作的小时百分比（"工效"workability），再转化为生产损失百分比。研究人员计算了三个轮班（上午9点-下午5点、凌晨4点-中午12点、下午4点-午夜12点）的轮班平均生产损失。
关键作物区域地图通过将模拟的WBGTeff与加州水资源部Land IQ倡议的作物分布图叠加绘制。
## 赛上—10页研究成果
### 热应激阈值Exceeded频率
WBGTeff小时Exceeded频率随季节变化显著，夏季白天和夜间均达到最大。2020年，8月份WBGTeff超过NWS推荐的80℉临界阈值的频率最高：帝国谷白天96.3%、夜间38.0%；科切拉谷白天72.5%、夜间11.9%。最高类别（>90℉）在除4月外的所有月份（4-10月）帝国谷均出现Exceeded。80℉阈值在主要收获月份4月、5月、9月和10月的白天均Exceeded，其中4月帝国谷白天Exceeded率23.2%，科切拉谷13.2%。夜间Exceeded在夏季显著但在收获月份可忽略。Exceeded在科切拉谷低于帝国谷，因前者位于后者以北，气候一般较凉爽。空间分布上，给定月份内ICV区域Exceeded模式相对均匀。8月份总Exceeded小时数超过500小时，所有收获月份均有可观的Exceeded。
### 不同作物类型的热暴露
与预期相反，大多数工作轮班在凌晨5-6点开始、下午1-3点结束，包含一天中最热的时段，仅洋葱在夜间收获。WBGTeff在不同作物间因典型工作时间和收获季节差异而显著变化。除夜间收获的洋葱外，大多数作物的80℉阈值在轮班期间至少部分时间Exceeded，部分作物在轮班期间甚至Exceeded最高安全阈值（95℉）。椰枣轮班期间平均WBGTeff最高，因其主要在夏季最热的白天收获；夜间收获不可行因涉及梯子和人工照明的安全顾虑。冬季蔬菜的地表准备也因在夏季白天进行而具有较高WBGTeff。
空间分布上，高暴露田地广泛存在但也显示聚集性。帝国谷所有作物在春季收获月份均落入中等风险类别（85℉ < WBGTeff < 88℉），按NWS建议工人在直射阳光下每工作小时需30分钟休息。科切拉谷部分葡萄、甜瓜和洋葱田地达高风险类别（88℉ < WBGTeff < 90℉），其余为中等风险。作物多样性帝国谷更高，包括苜蓿、玉米、苏丹草、甜瓜、洋葱和胡萝卜；科切拉谷较低，以葡萄和椰枣为主。夏季高温风险在科切拉谷持续，有葡萄和椰枣收获，而帝国谷夏季作物活动较有限。
纳入作物特异性代谢消耗和适应性后，除夜间收获洋葱外，所有作物的WBGTeff均Exceeded未适应性工人的RAL；椰枣和甘蔗甚至Exceeded适应性工人的REL，意味着即使对适应性工人这些作物的劳动也可能不安全或需额外防护措施。甘蔗收获尤其涉及弯腰、切割和搬运等高强度作业，代谢需求高，热应激风险增加。
灌溉对热阈值的影响
灌溉对WBGT的影响昼夜不同：白天可降低高达2.5℉，但夜间类似幅度增加。夜间，尽管ICV区域大多数网格单元WBGT低于80℉，相当数量在无灌溉情形下仍超过该阈值。WBGT接近80℉的网格单元尤为敏感；例如，夜间79-83℉范围的WBGT可因灌溉增加约0.75℉，常致超过80℉阈值。相比之下，日间灌溉通常降低WBGT，冷却效应在较高WBGT范围（约90-93℉）最为明显。灌溉效应由正转负或由负转正的时刻（约07:30和17:00）值得注意。
热浪期间的热暴露
以连续5天及以上日最高气温超过95℉定义（Collins et al., 2000），2020年帝国谷识别出158个热浪日。加州法规（CCR）定义的热浪日（日最高气温超过80℉且较前5天平均值高至少10℉）仅识别9天，且多数发生在较凉爽的4-6月和10-11月而非核心夏季。沙漠环境中温度逐渐升高数日，但10℉的骤然上升较少见，致CCR标准可能漏检许多危险极端高温期。研究人员提出的95℉阈值更有效捕捉4月至10月的持续高温期，与国际标准（如WMO）一致，沿海较凉爽区域可向下调整。
2020年最强烈热浪（7-8月）期间，帝国谷2米气温近120?iraF，夜间最低温低于80℉允许居民一定恢复。相对湿度多数时间低于40%，但8月1日夜间因索尔顿海蒸发增加出现异常峰值，使夜间日最低WBGT升高约4℉（图9d上下功夫）。上行长波辐射因地表强烈加热显著增加，加剧热应激恶化黑球温度。热浪期间WBGT达95℉以上，夜间数小时仍高于80℉临界值。
对劳动生产力的影响
模拟生产损失也因热暴露的时段和季节变化而异（图10）。最大模拟生产损失出现在未适应性工人从事重劳动时，适应性工人从事轻劳动时最小。夏季最大模拟生产损失超过约80%，适应性工人轻劳动也超过约50%。
三个轮班情景显示：8月份基准轮班（9 a.m.–5 p.m.）生产损失超过55%，凌晨轮班（4 a.m.–12 p.m.）降至25%以下，傍晚轮班（4 p.m.–12 a.m.）低于15%。调整工作计划可显著降低生产损失高达40%，傍晚轮班因热暴露最低可能更优。帝国县农场就业数据显示5月最高超过12,000人，为收获高峰月；夏季就业骤降约25%至约9,000人基线，反映季节性收获活动减少，也可能降低整体工人热暴露。最热月份（7-9月）就业工人较少，而相对凉爽月份（4-5月）就业更多但生产损失较低。
## 讨论与结论总结
该研究利用高分辨率（1公里网格）区域天气模型WRF的输出，估算了ICV地区农业劳动者的热暴露。研究结果强调，使用简化指数如湿球温度（WBT）或简化WBGT常因全球环流模型缺乏辐射等关键输入而不足，而基于金标准Liljegren方法的WBGTExceeded计算纳入湿度及长波和短波辐射等热应激关键贡献因子，提供了更准确的田间热暴露评估。
分析表明热暴露具有强昼夜周期且因作物类型而异。推荐的职业WBGT阈值（80℉）即使在较凉爽收获季节（4-5月、9-10月）也频繁Exceeded，不同月份从100至超过500小时不等；最高WBGT类别（>90℉）在大多数收获月份的工作时段也显著Exceeded。城市地区如埃尔森特罗和墨西卡利的Exceeded小时数因城市热岛效应远多于农业田间。研究识别的158个热浪日中有部分落在关键收获月份（5月和10月），表明ICV地区对农业劳动者是高热风险环境。
在生产损失方面，通过调整工作计划至清晨或傍晚轮班，生产损失可减少高达30%和40%。但研究人员也指出，调整工作时间需考虑托儿、睡眠中断和安全顾虑等限制。当前加州热保护法规（CCR T8 §3395）依赖气温指定防护措施，但气温单一指标未考虑太阳辐射、风速和湿度等ICV农业田间的关键因素。WBGT阈值已与观测健康风险关联，能更好衡量热暴露，尽管其数值较不直观且低于气温。
研究还发现灌溉可能夜间增加WBGT，在WBGT接近80℉区域，夜间灌溉可致增加约0.75℉，足以超过临界热应激阈值；而07:30和17:00左右的过渡时段灌溉效应最小。椰枣和甘蔗因在最热时段/月份收获且劳动强度大，与极端热暴露相关，需识别这些关键作物区并为工人提供额外防护。
此外，加州现有热浪定义（CCR）基于日最高温与前5天比较，在已炎热地区如ICV失效，因沙漠环境温度逐渐升高数周，最危险时CCR方法检测不到显著变化。研究人员提出更简单的替代定义：连续5天及以上超过95℉，该定义与国际标准一致，能更有效识别主要热浪。
研究局限性包括：仅模拟2020年单一年份，虽对2024年的敏感性分析支持主要季节对比和区域差异结论的稳健性，但夏季Exceeded幅度尤其夜间应谨慎解读；1公里分辨率模拟可能存在偏差；代谢率来自其他地区可能不完全反映ICV实际劳动水平；生产损失计算基于有限区域数据的经验函数，可能不准确反映ICV劳动响应特征；未考虑空气污染对热应激的影响，以及未利用热相关疾病和死亡数据验证Exceeded与健康事件的关联。
研究发表于《GeoHealth》，其重要意义在于首次对南加州帝国谷和科切拉谷农业劳动者进行了高分辨率WBGT热暴露的全面时空评估，揭示了收获季节、作物类型和工作轮班对热风险的复杂影响，并提出了针对实际工作场景的、可操作的缓解策略，为职业热健康保护和农业劳动政策制定提供了重要科学依据。
