全球变暖背景下非洲夜间热浪加剧的时空格局与机制研究

《Environmental and Sustainability Indicators》：Global warming amplified regional heatwave with nighttime preeminence outrun daytime heatwave

本研究针对非洲地区热浪特征缺乏系统性分析的现状，开展了首个全非洲尺度的昼夜热浪观测与预测研究。通过百分位阈值法和CMIP6多模型模拟，发现1980-2024年间夜间热浪增加速率(6.23天/十年)显著高于白天(3.98天/十年)，且这一趋势将在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下持续加剧。研究揭示了2m温度、500hPa位势高度、土壤湿度和降水等关键驱动机制，为非洲地区热浪风险评估和公共卫生干预提供了重要科学依据。

　　

在全球变暖的背景下，热浪已成为威胁人类健康和生计的重要极端气候事件。然而，对于非洲这样气候脆弱性极高的地区，关于昼夜热浪的系统性研究仍然匮乏。非洲大陆因其独特的地理位置、普遍较低的社会经济发展水平以及有限的适应能力，在面对日益频繁的极端高温事件时显得尤为脆弱。近年来，尼日利亚60人因热相关疾病死亡、南非因自然灾害（包括热浪）造成约2200人丧生和45亿美元经济损失的报道，凸显了该地区热浪风险的严重性。但受限于观测数据和监测体系，非洲热浪的时空特征、驱动机制及未来演变趋势仍不明确，特别是夜间热浪的加速增长及其对公共健康的潜在威胁尚未得到充分认识。

在这一背景下，中国科学院大气物理研究所的研究团队在《Environmental and Sustainability Indicators》上发表了题为"Global warming amplified regional heatwave with nighttime preeminence outrun daytime heatwave"的研究论文。该研究首次对非洲地区的昼夜热浪进行了全面分析，特别验证了夜间热浪增长速度快于白天热浪的创新假设。

研究团队采用了多源数据融合的分析方法。观测数据方面，使用了Hadley中心全球陆地网格观测气候数据(HadGHCND)和ERA5再分析数据，时间跨度为1980-2024年。未来预测则基于CMIP6多模型集合模拟，考虑了SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5三种情景。热浪定义采用相对阈值法，即日最高温度(TX)或日最低温度(TN)连续三天超过1985-2014年参考期内对应日历日90百分位阈值(TX90p/TN90p)。研究方法包括改进的Mann-Kendall趋势检验、Theil-Sen斜率估计、普通最小二乘回归和皮尔逊相关分析，系统评估了热浪数量(HWN)、持续时间(HWD)、频率(HWF)和强度(HWA)等指标。

3.1. 基于观测数据的白天热浪区域趋势

研究发现，过去45年间非洲白天热浪各项特征均呈显著增加趋势。北部非洲热浪事件数量(HWN)增长率为0.63次/十年，南部非洲为0.55次/十年。热浪频率(HWF)在南部非洲增加更为明显(3.98天/十年)，北部非洲为3.01天/十年。热浪强度(HWA)在北部非洲增长更快(0.36°C/十年)，而南部非洲为0.20°C/十年。空间分布上，撒哈拉沙漠等干旱地区因低植被覆盖和高反照率，热浪更为强烈和持久。

3.2. 基于观测数据的夜间热浪区域趋势

夜间热浪呈现出更为显著的增长趋势，且存在明显的南北差异。北部非洲热浪事件数量增长更快(0.76次/十年)，而南部非洲在热浪持续时间(1.41天/十年)和频率(6.23天/十年)方面增长更为突出。特别值得注意的是，自1998年起，夜间热浪频率开始超过白天热浪，标志着非洲热浪格局的重要转变。温度异常分析显示，2016年后最低温度异常持续超过最高温度异常，这与夜间热浪增加趋势相吻合。

3.3. 与热浪事件相关的物理机制

研究揭示了影响非洲热浪的关键驱动因素。2米温度是最主要的影响因子，与热浪频率呈强正相关(白天r=0.83，夜间r=0.81)。500hPa位势高度的正趋势表明持续的高压脊活动，通过促进下沉运动、稳定对流边界层和诱导绝热增温来加剧热浪。土壤水分和降水的减少则通过地表-大气反馈机制进一步强化热浪，特别是在干旱半干旱地区。回归分析显示，土壤水分每减少1%对应夜间热浪频率增加44天，远高于白天的11天。

3.4. 基于CMIP6模拟的热浪特征预测

未来预测表明，热浪加剧趋势将在21世纪持续，且严重程度取决于排放情景。在高排放情景(SSP5-8.5)下，北部非洲在近期(2030-2060)白天热浪频率将增加15.5天/十年，夜间增加17.9天/十年；到世纪末(2070-2100)，北部非洲夜间热浪频率可能达到110-118天/年。值得注意的是，在低排放情景(SSP1-2.6)下，热浪特征在远期显示下降趋势，凸显了气候减缓的有效性。

研究结论强调，非洲热浪正在加速加剧，且夜间热浪的增长速度显著超过白天热浪。这一趋势由全球海洋变暖、区域大气环流和地表-大气反馈共同驱动。面对这一威胁，非洲地区由于普遍存在的能源贫困、有限的医疗资源和不足的监测体系，表现出极高的脆弱性。研究呼吁迫切需要将热浪风险纳入公共卫生和适应战略，包括实施热健康行动计划、建立早期预警系统和进行脆弱性评估。这一研究不仅填补了非洲热浪系统性研究的空白，也为区域气候适应政策的制定提供了关键科学依据。

该研究的创新性在于首次全面量化了非洲昼夜热浪的不对称增长，揭示了夜间热浪加速的物理机制，并基于多模型集合预测提供了不同排放情景下的风险展望。这些发现对理解全球变暖背景下极端气候事件的变化规律具有重要意义，特别是为脆弱地区的气候适应和公共卫生干预提供了针对性指导。随着全球变暖持续，类似研究对于降低热相关发病率和死亡率、保护弱势群体健康具有紧迫的现实意义。