不同气候减缓路径下非对称热浪加剧放大城乡暴露差异

《Weather and Climate Extremes》：Asymmetric Heatwave Intensification Under Divergent Climate Change Mitigation Pathways Amplifies Urban–Rural Exposure Disparities

本研究针对未减缓气候变化通过日益强烈和频繁的热浪对人类和环境福祉构成升级威胁的严峻现实，利用经过偏差校正的CMIP6模型，系统预测了全球范围内热浪属性的强化和更早发生。研究揭示了SSP585路径相较于SSP370路径将导致更持久和更强烈的热浪，并阐明了热浪强度主要由辐射和平流强迫控制，而持久性取决于大尺度流动稳定性。研究进一步量化了不同气候区和人口阶层间热浪暴露的显著差异，指出农村人口暴露水平与城市人口相当，强调了制定定制化适应计划以应对气候变化中热浪挑战的紧迫性。

　　

随着温室气体排放的持续，热浪的频次、持续时间和强度在全球许多地区呈现增加趋势，已成为最紧迫和普遍的全球气候相关挑战之一。热浪被认为是致命的全球性自然灾害，其不利影响包括热应激、脱水和热相关疾病，对脆弱人群风险尤甚。此外，热浪还增加了丛林大火的风险并加剧了生物多样性的丧失。尽管存在大尺度气象模式、从天气尺度到行星尺度的气候变率模态等多种影响因素，但气候变化导致的全球气温持续上升构成了严重威胁，并以不同方式影响着热浪，对社会和经济带来挑战。然而，未来热浪对城乡人口的影响仍不确定，当前定义和表征热浪的方法往往依赖于绝对阈值或固定极端百分位数等简化方法，忽视了热浪的多面性，阻碍了其影响的系统评估和可靠预测。同时，气候模拟在预测全球或区域尺度热浪方面被广泛应用，但大多数研究主要使用未经过偏差校正的全球环流模型，这限制了其在影响研究以及适应和减缓政策制定、区域尺度决策方面的能力。此外，将暴露度简单汇总为单一的“总人口”指标是不充分的，城乡人口之间的暴露度存在显著的区域异质性。这种明显的区域差异强调了对热浪暴露进行全面、全球情境化评估的迫切性，这种评估需要明确区分城乡人口，对于制定真正基于证据的政策和促进应对升级的热浪风险中的公平性至关重要。

为了深入探究这些问题，并发表在《Weather and Climate Extremes》上的研究《Asymmetric Heatwave Intensification Under Divergent Climate Change Mitigation Pathways Amplifies Urban–Rural Exposure Disparities》中，研究人员开展了一项系统性研究。该研究利用1979年至2014年的历史数据，并预测了21世纪中期（2025-2060年）和末期（2065-2100年）在两种共享社会经济路径（SSP370和SSP585）下的未来情景。研究采用了十个经过多元偏差校正的第六次耦合模式比较计划（CMIP6）模型及其集合均值，重点关注政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告中的50个不同区域。

为开展研究，作者主要应用了以下几项关键技术方法：首先，采用基于 ClimWIP 方法选取的10个CMIP6模型及其集合均值，并利用W5E5数据集作为参考，通过N维概率密度函数变换（MBCN）的多元偏差校正方法对模型进行偏差校正，以最小化参考与模拟气候变量之间的差异，提高未来气候情景预测的可靠性。其次，利用过量热因子（EHF）指数来定义热浪，该指数结合了短期温度异常和长期趋势，通过计算当前3天温度平均值与前期30天平均值以及气候学90分位数的偏差，来识别热浪事件，并从中提取热浪频率（HWF）、热浪振幅（HWA）、热浪量级（HWM）、热浪数量（HWN）、热浪持续时间（HWD）和热浪发生时间（HWT）六个关键属性。第三，采用斯皮尔曼相关系数分析热浪属性与六个气候变率模态（如NAO、PDO、PNA、NINO、DMI、TNA）之间的模式关联。第四，通过将人口密度与热浪频率相乘，并分解为气候效应、人口效应及其交互效应，来量化城乡人口对热浪的暴露度变化。最后，使用改进的Mann-Kendall趋势检验和Sen估计量来评估热浪特征的历史趋势。

3.1. 全球气候模型中的热浪特征

研究首先评估了偏差校正的效果。结果显示，未经校正的CMIP6模型集合均值在热浪频率（HWF）上存在显著偏差，特别是在热带地区，均方根误差（RMSE）超过9天，而经过MBCN校正后，模型在所有统计量（最小值、均值、最大值和中位数）上的偏差均显著减小，更接近参考数据。这表明偏差校正有效提高了模型表征区域热浪频率的准确性，减少了不确定性，从而增强了气候预测及其后续影响评估的可靠性。

3.2. 热浪特征的空间分布和预测变化

研究预测了从历史时期到未来时期区域平均热浪特征的变化。结果显示，在全球变暖背景下，所有热浪属性均呈现增强趋势。例如，在SSP370路径下，21世纪末期，西非（WAF）、撒哈拉（SAH）、地中海（MED）等地区的热浪数量（HWN）将增加5-6次；而在SSP585路径下，南澳大利亚（SAU）等地的HWN可能达到9-10次。热浪频率（HWF）的预测变化更为显著，在SSP585路径下，21世纪中期，西非、中非、北南美洲等地的HWF将超过140天。热浪持续时间（HWD）也显著延长，在SSP370路径下，21世纪末期北南美洲等地的HWD可达160天。纬度剖面图进一步揭示了热浪属性变化的非对称性，例如HWN的最大增幅在21世纪中期位于北纬30度附近，而在21世纪末期则转移至南纬60度附近。研究还发现，热带地区预测的HWN较少可能与其预测的HWD较长有关。

3.3. 热浪特征的区域变异性和时间趋势

对历史趋势的分析表明，大多数地区的HWF呈现显著正趋势，但南澳大利亚、中澳、撒哈拉等部分区域显示出负趋势。热浪振幅（HWA）和热浪量级（HWM）的趋势在不同区域差异明显，西非、中非等地显示出显著负趋势，而西北美等地则呈现最大正趋势。热浪发生时间（HWT）的负趋势表明大多数地区热浪季节有提前开始的趋势。研究还揭示了HWF和HWN之间复杂的对比关系。在历史时期，一些地区如西非表现为低HWF伴随低HWN。而在未来情景下，SSP370和SSP585路径显示，在大多数热带地区，高HWF与高HWN相关联，但在极地地区情况则相反。这种关系对于理解极端高温事件的变化模式、其累积影响以及不同时空尺度上热浪发生的总体趋势至关重要。

3.4. 气候过程和排放水平对区域热浪特征的影响

通过双变量分布分析，研究发现不同区域对排放路径和时间演变的响应存在显著差异。在SSP370路径下，21世纪中期，东澳大利亚和西欧中欧经历频繁但持续时间较短的热浪，但其量级显著上升，导致严重影响。而南美季风区、东南非和南亚则表现出较少但持续时间更长的事件，影响较低。到21世纪末期，后者区域的热浪分布呈现双峰模式，即不频繁的事件表现出极强的持久性，而更频繁的事件则表现为较短的持续时间。在高排放的SSP585路径下，风险状况发生根本性改变，所有区域在21世纪末期都趋向于持续时间更长的持续性热浪。研究还发现，热浪事件数量相对于热浪量级和振幅对所有区域的影响都 dramatically 更强。热浪属性与气候变率模态的相关性分析揭示了高度区域特异性的模式。例如，北大西洋涛动（NAO）与北澳、马达加斯加和东非的热浪振幅和量级呈正相关，但与这些区域的热浪频率和持续时间呈负相关。而热带北大西洋指数（TNA）与东西伯利亚的热浪显示出极强的正相关，表明大西洋变暖通过激发罗斯贝波增强乌拉尔山阻塞高压，从而放大该地区的热浪。这些关系强调了热浪强度主要由辐射和平流强迫控制，而持久性取决于大尺度流动稳定性。

3.5. 城乡人口的热浪暴露度

研究揭示了城乡人口热浪暴露度的显著差异和演变。历史时期，非洲和南美洲大多数地区的农村人口热浪频率暴露度远高于城市人口。未来，在SSP370和SSP585情景下，城市人口暴露度将显著增加。例如，在SSP370路径下，21世纪中期，西藏地区农村人口暴露度总计1500万人日，而城市人口为500万人日。到21世纪末期，东南非和南亚的农村暴露度预计将超过2亿人日，而中亚东部的城市人口暴露度将达2亿人日。与SSP370相比，SSP585路径下大多数地区的农村暴露度将减少，但城市暴露度在21世纪末期更高。纬度剖面图显示了最大暴露带的转移，例如城市暴露高峰从历史时期的北半球中纬度地区，在未来情景下向低纬度地区扩展。对暴露度总变化的归因分析显示，主导因素因区域和情景而异。例如，在SSP370路径下，东亚地区21世纪中期和末期的农村人口暴露变化主要由气候效应主导（占90%以上），而南亚部分地区则显示出人口、气候及其交互作用的更均衡影响。在SSP585路径下，21世纪末期，东南非、西非和南亚的城市人口暴露变化主要归因于交互效应（>50%）。总体而言，大多数地区在农村人口方面，预计在SSP370中期人口效应占主导，而在SSP585末期气候效应占主导；城市人口的主导效应则因区域而异。

该研究的结论部分强调，热浪已成为全球性的重大关切，对人类健康和社会福祉构成显著威胁。利用经过偏差校正的CMIP6模型，研究确认了热浪属性增加的趋势，并通过EHF指数揭示了热浪季节延长和发生时间提前的特征。热浪属性与不同气候变率模态的区域特异性关联，表明热浪的生成和增强受到天气尺度遥相关与局部热力学驱动之间复杂相互作用的调节。最重要的是，研究挑战了城市地区必然是热浪风险主要热点的简单假设，揭示出由于气候危害、人口分布和适应基础设施的局部化相互作用，农村人口可能面临相当甚至更高的有效暴露度。这种差异是由农村地区更高的敏感性和脆弱性驱动的。因此，评估热浪风险需要超越总体的城市化趋势，制定针对农村社区面临的独特职业、生理和基础设施风险的定制策略。研究结果补充并扩展了政府间气候变化专门委员会和世界气象组织等近期评估，强调了在热浪管理计划中考虑多种热浪特征以及制定区域定制化适应计划以应对气候变化中多样化挑战的极端重要性。