全球变暖背景下CMIP6与NEX-GDDP-CMIP6模型对湿热复合极端事件的模拟性能评估与优化策略

本研究针对全球气候模型(CMIP6)及其偏差校正数据集(NEX-GDDP-CMIP6)在湿热复合极端事件(HWN/HWF/HWD/HWM/HWI)模拟中的系统性偏差问题，通过评估1981-2014年历史时期32个GCMs对湿球温度(Tw)阈值和持续性的模拟能力，发现CMIP6高估湿热浪事件频率(相对偏差达35%)但低估强度(-9%)，而NEX-GDDP-CMIP6通过分位数映射(QM)显著改善HWM偏差但难以修正时间自相关性，为气候风险评估提供了关键模型优化建议。

　　

随着全球变暖加剧，湿热复合极端事件对人类健康的威胁日益凸显。这类事件以高温高湿协同作用为特征，当环境湿球温度(T_w)超过35°C时，人体将丧失通过排汗散热的能力，直接威胁户外生存。历史上如2003年欧洲热浪等事件已造成超7万人死亡，而最新研究表明湿热浪的发生频率和强度正在全球范围内持续增加。然而，当前用于湿热浪研究的第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)全球气候模型(GCMs)及其偏差校正数据集存在显著模拟偏差，可能影响气候风险评估的准确性。

为系统评估模型性能，研究人员以1981-2014年为研究时段，采用全球气象强迫数据集(GMFD)作为观测基准，对比分析了32个CMIP6模型及其对应的NASA地球交换全球日尺度降尺度数据集(NEX-GDDP-CMIP6)对湿热浪五大特征的模拟能力。研究定义了湿热浪事件为连续3天以上湿球温度超过当地第90百分位阈值(T₉₀)的极端事件，并量化了事件数量(HWN)、总天数(HWF)、平均持续时间(HWD)、平均强度(HWM)和累积热强度(HWI)等指标。通过泰勒技能评分(TSs)和综合评级指数(CRI)等多维度评估体系，揭示了模型偏差的空间分布特征及其物理机制。

关键技术方法包括：(1)基于GMFD和CMIP6/NEX-GDDP-CMIP6的全球1°×1°网格数据对比；(2)采用分位数映射(QM)方法校正日值偏差；(3)计算湿球温度时间自相关系数分析持续性偏差；(4)按IPCC第六次评估报告划分的44个气候参考区域进行区域评估；(5)运用泰勒技能评分和CRI指数综合评价模型性能。

研究结果揭示：

1. 湿热浪事件特征模拟偏差
   CMIP6集合平均系统性高估HWN(相对偏差10%)、HWF(35%)和HWD(25%)，尤其在欧亚大陆中纬度、非洲和澳大利亚等地偏差显著。NEX-GDDP-CMIP6虽将HWM偏差从-1.45°C改善至-0.17°C，但对HWN等指标的修正有限，仅在美国东部等地区表现较好。

2. 极端温度阈值与持续性机制
   CMIP6对T₉₀的系统性低估(-1.3°C)导致HWM被低估，而夸大的湿球温度时间自相关性(滞后1天偏差+0.11)使得长持续时间(>5天)湿热事件被过度模拟，占HWN总偏差的60%以上。NEX-GDDP-CMIP6通过QM有效校正了T_w分位数偏差，但未能显著改善时间自相关性。

3. 区域最优模型推荐
   基于CRI指数评估，研究推荐北美和亚洲采用多模型集合平均(MME)，南美选用NorESM2-LM，欧洲选择MIROC-ES2L，非洲采用IITM-ESM，俄罗斯适用ACCESS-CM2，澳大利亚推荐HadGEM3-GC31-MM。这些模型在保持湿热浪各特征模拟平衡性方面表现突出。

研究结论指出，当前CMIP6模型对湿热浪的模拟存在"三高一低"的系统性偏差——即高估事件频率、持续时间和累积强度，但低估极端温度阈值。虽然NEX-GDDP-CMIP6通过统计校正改善了温度阈值模拟，但其对时间持续性的修正效果有限，这主要源于QM方法难以修正时间序列的自相关结构。该发现对气候风险评估具有双重意义：一方面警示直接使用原始CMIP6输出可能导致湿热浪风险高估，另一方面为偏差校正方法的改进指明了方向——未来需开发能够同时保持温度分位数和时间结构的校正算法，如结合物理约束的深度学习技术。

研究还特别强调，湿热浪的地理分布特征与干热浪显著不同，其热点区域主要分布在欧亚大陆沿海和美洲东西海岸，这些地区湿球温度已接近31°C的危险阈值。因此，准确模拟这些区域的湿热极端事件对公共卫生适应规划至关重要。论文建议后续研究应重点关注大气环流-陆气相互作用等关键物理过程的模型改进，并开发能够保持多日极端事件连续性的新型偏差校正框架，为应对日益加剧的湿热气候风险提供更可靠的科学工具。