太阳辐射管理对非-亚季风区极端高温与人口暴露影响的模拟研究

本研究针对温室气体排放导致的全球升温问题，探讨了平流层气溶胶注入（G6Sulfur）和太阳辐射调暗（G6Solar）两种太阳辐射管理（SRM）策略在缓解南亚、东亚和西非季风区未来高温与热浪事件方面的潜力。研究基于GeoMIP6多模型模拟，发现SRM可显著降低平均温度、极端高温指标及各类热浪特征，并有效减少人口暴露风险，为区域气候干预和公共健康政策提供关键科学依据。

　　

随着全球温室气体排放持续增加，地表温度不断上升，亚洲和非洲人口密集的季风区正面临日益严峻的极端高温威胁。高温热浪事件频率、强度和持续时间显著增加，对人类健康、粮食安全、生态系统及城市基础设施构成多重风险。例如，2015年南亚热浪导致超过3500人死亡，而2022年的热浪事件影响范围更广、持续时间更长。在这一背景下，探索可行的高温缓解策略成为科学研究与政策制定的焦点。太阳能地球工程（Solar Radiation Management, SRM）作为可能的气候干预手段之一，近年来受到广泛关注。其中，平流层气溶胶注入（G6Sulfur）和太阳辐射调暗（G6Solar）是两种被广泛讨论的SRM方法，它们通过改变地球辐射平衡以抵消温室气体引起的增温。然而，这些干预措施对区域尺度极端温度、热浪特征以及人口暴露风险的影响尚未被系统评估。为此，本研究基于“地球工程模型比较计划”（GeoMIP6）的模拟数据，系统分析了G6Sulfur和G6Solar对南亚（SAM）、东亚（EAM）和西非（WAM）季风区夏季（JJAS）温度与热浪的影响，并进一步探讨其物理机制与社会经济意义。该研究成果发表于《Sustainable Cities and Society》，为未来气候干预策略的区域效果评估和风险管理提供了重要依据。

研究采用了多模型集成分析的方法，数据源自GeoMIP6中四个地球系统模型的G6Sulfur和G6Solar实验，以及对应的SSP5-8.5和SSP2-4.5情景模拟。关键气象变量包括每日平均、最高和最低近地表气温、相对湿度、辐射通量和能量收支分量等。人口数据来自NASA SEDAC，空间分辨率0.125°。热浪定义为日最高温或最低温持续至少3天超过历史95百分位阈值，同时评估了基于致死热应力温度（Th）的热浪频率。研究通过表面能量和湿度收支诊断揭示了温度变化的物理机制，并计算了人口暴露量为热浪频率与栅格人口的乘积。所有分析均针对中期未来（2040–2069）和远期未来（2070–2099），以1985–2014为基准期，使用集合平均（EnsMean）进行多模型一致性评估。

3.1. 模型在当代气候中的温度与热浪表征能力

评估显示，多模型集合平均能够合理再现CRU观测中SAM、EAM和WAM的夏季平均温度、极端温度及温度变率的空间分布，但仍存在一定偏差。例如，多数模型低估了SAM和EAM地区的最低温度，而所有模型均高估了温度变率。热浪频率、持续时间和强度的模拟也与ERA5再分析数据总体一致，表明白天和复合热浪的强度被普遍高估，而复合热浪频率被低估。尽管存在偏差，EnsMean在空间格局再现方面表现可靠，为未来预估提供了可信基础。

3.2. 太阳辐射管理对温度特征的影响

与高排放情景SSP5-8.5相比，G6Solar和G6Sulfur均能显著降低三个季风区中期和远期未来的平均温度、最高温度和最低温度。降温效应在远未来更加明显，部分地区降温幅度超过3°C。两种SRM方法使温度分布更接近中等排放情景SSP2-4.5的水平，尤其是在SAM和EAM地区。空间上，温度均值、极值及变率的减少广泛且显著，模型间一致性较高。G6Solar的降温效果通常略优于G6Sulfur。

3.3. 热浪特征对太阳辐射管理的响应

SRM显著减少了所有类型热浪（白天、夜间和复合热浪）的频率、持续时间和强度。在远未来，热浪频率减少超过20天，持续时间缩短超过10天，强度降低超过1.0°C，且效应随时间增强。夜间热浪持续时间的减少在西非沿海地区尤为明显。与SSP5-8.5相比，SRM使热浪指标普遍低于SSP2-4.5水平，但存在区域差异。致死性热浪频率也呈现一致下降，突显SRM对减轻健康风险的潜在效益。

3.4. 近地表气温与热浪指标的关系

分析表明，白天热浪频率的变化与最高温度变化显著相关（r=0.58–0.89），夜间热浪频率与最低温度变化密切相关（r=0.50–0.92），复合热浪频率则与平均温度变化高度相关（r=0.63–0.91）。最强的相关性出现在东亚季风区，远未来G6Solar下复合热浪频率与平均温度变化的相关系数达0.91。这些结果证实温度变化是驱动热浪特征改变的主要因素。

3.5. 太阳辐射管理影响温度变化的物理机制

表面能量收支诊断显示，SRM引起的降温主要归因于地表净向下辐射（ΔR↓）的减少，其中无云条件下向下长波辐射（ΔLWcs↓）的降低起主导作用。辐射减少与大气水汽含量下降相关，后者减弱了温室效应。湿度收支分析进一步表明，水汽减少主要由比湿降低（热力学过程）驱动，并通过大气水汽通量辐合（ΔMFC）的变化体现。这一过程形成了正反馈循环：SRM引起比湿下降，减少长波辐射，导致降温，进而进一步降低比湿，放大冷却效应。

3.6. 太阳辐射管理的社会经济影响

SRM显著降低了未来人口对各类热浪的暴露水平，其中夜间热浪的风险减少最为明显。在远未来，西非和南亚的暴露人口分别降至约6000万和9500万以下，东亚的减少幅度相对较小。模型在东亚的一致性较高（标准差<30%），而在西非和南亚，夜间热浪暴露的模型间一致性优于白天和复合热浪。结果表明，SRM有潜力减轻未来极端热事件对健康和社会经济的压力。

该研究通过多模型集成分析，证实了太阳辐射管理（SRM）在显著降低非洲–亚洲季风区未来夏季温度和热浪事件方面的潜力。两种SRM方法（G6Sulfur和G6Solar）均能有效抵消高排放情景下的增温，减少热浪的频率、持续时间和强度，并通过降低大气水汽和地表辐射通量引发冷却效应。这些变化进一步转化为人口暴露风险的显著下降，尤其是夜间热浪的暴露减少最为明显。然而，研究也指出SRM效果存在区域差异，例如在东亚地区，G6Sulfur的降温效果略逊于G6Solar。尽管SRM展现出应对极端高温的前景，研究者强调其不能替代减排措施，且需全面评估其对降水、生态和水文的潜在连锁影响。该研究为区域气候干预策略的设计提供了科学依据，同时呼吁开展更多研究以权衡SRM的收益与风险，确保其作为综合气候应对措施的一部分得以负责任地应用。