气候变化和人口老龄化加剧了欧洲地区老年人面临洪水的风险

《Earth's Future》：Climate Change and Population Aging Exacerbate Flood Risk to the Elderly in European Regions

气候变化与人口老龄化对欧洲老年人洪水风险的影响研究。通过耦合气候模型（GCM）与社会经济投影（SSP），分析中欧地区地表径流和径流增加超过50%，导致莱茵、多瑙等流域洪水加剧。埃尔河盆地百年洪水峰值增幅达107%，老年人口增长15%，51,300名老年人面临高风险，其中58%处于高密度或低收入脆弱区。布拉格等老龄化城市洪水风险显著，需纳入社会脆弱性评估以缓解区域不平等。

　　全球范围内的洪水威胁着人类的生命安全，然而，在全球变暖和人口老龄化背景下，对老年人（65岁以上）的洪水风险仍然存在不确定性。为了解决这一问题，本研究结合了全球气候模型（GCM）和共享社会经济路径（SSP）的预测，将其引入水文建模框架中，分析了欧洲地区在气候与社会经济变化影响下老年人的洪水风险。研究结果表明，中欧地区的地表径流和径流量显著增加（超过50%），这共同导致了主要流域（如卢瓦尔河、莱茵河、易北河和多瑙河）洪水强度的加剧。其中，易北河流域的百年一遇洪水峰值增加了约107%，同时老年人口增长了约15%，在高温室气体排放情景（SSP5-8.5）下，最多有51,300名老年人（置信区间为45,300–60,500）面临高风险洪水的威胁，其中最多58%（29,800，置信区间为25,100–33,700）的老年人居住在密集区域或属于中低收入群体。在老龄化城市中，布拉格受到洪水影响最为严重，暴露于高风险区域的老年人比例最高达到40%–54%。随后是德累斯顿和汉堡，其中最多有18%的暴露老年人面临高风险洪水的威胁。本研究揭示了在变暖气候和人口老龄化背景下，洪水暴露引发的区域不平等现象。方法和研究结果有望为全球变化条件下的可持续洪水风险管理提供新的见解。

洪水作为全球最严重的自然灾害之一，不仅对人类社会造成广泛破坏，还对生命安全构成巨大威胁。目前，全球约有18亿人口受到百年一遇洪水的威胁，经济活动面临约9.8万亿美元的洪水暴露风险。极端洪水对脆弱群体（如贫困者、密集居住区居民和老年人）的影响尤为显著，导致更高的死亡率和更严重的次生损害。在北美，2020年的极端洪水造成年均损失超过321亿美元，且这种损失主要由贫困社区承担。在亚洲，超过15亿居民居住在密集的洪水泛滥区，其中约7500万人属于低收入群体。而在欧洲，预计到21世纪末，极端洪水每年将影响约50万人。随着老年人口比例的增加，欧洲老年人将面临更高的洪水风险，这可能加剧人口迁移和经济不平等，对联合国可持续发展目标（如SDG 3、SDG 10和SDG 13）构成挑战。因此，应对极端洪水已成为全球的紧迫任务。

随着人口老龄化趋势的加剧和全球城市化进程的加快，洪水风险管理面临更大的挑战。一方面，过去70年间，全球老年人口增加了超过6.82亿（12.63亿–80.84亿），其占总人口的比例从5.07%增加到了9.99%。其中，欧洲等发达地区经历了严重的老龄化，老年人口比例已达到20.07%（2023年），预计到2050年将增至29.4%。另一方面，全球城市化促使人类居住区不断向河流河床和洪水泛滥区扩展，使得密集居住区的洪水暴露风险显著上升。在这样的背景下，越来越多的老年人将面临极端洪水的威胁。由于老年人在灾前预警、应急响应、疏散和救援方面存在劣势，相较于成年人，他们更容易受到洪水的影响。这可能进一步增加洪水对老年人的经济损失和死亡率。然而，由于气候和社会经济变化的复杂性，洪水对老年人的威胁仍具有时空不确定性，亟需深入研究。

面对这一挑战，本研究旨在从两个方面进行分析：（1）在气候变化背景下，极端洪水的时空变化趋势；（2）评估在气候与社会经济共同作用下，老年人的洪水风险。通过将全球气候模型（GCM）的预测数据引入水文建模框架，研究刻画了地表径流、径流量和洪水峰值的时空趋势。同时，结合社会经济数据与共享社会经济路径（SSP）预测，揭示了人口老龄化和老年人脆弱性的动态变化。通过水文模拟和经济社会预测的空间分析，评估了老年人的洪水风险。本研究的数据为理解全球气候变化和人口老龄化背景下区域不平等提供了新的视角。

欧洲作为研究区域，近年来经历了多次极端洪水事件，如2013年、2016年和2021年的洪水，造成广泛破坏和人员伤亡。同时，欧洲城市化进程加快和出生率下降导致老年人口比例不断上升，这进一步增加了本地人口，尤其是老年人的洪水风险。因此，选择欧洲作为研究区域，有助于深入分析多尺度洪水风险。欧洲的气候类型多样，中欧地区主要为温带气候，南欧为地中海气候，北欧则为极地和亚极地气候。主要河流如多瑙河、莱茵河和易北河在长度、年均径流量、流域面积和人口分布上存在显著差异。其中，易北河是中欧的重要河流，全长约1094.3公里，流域面积达148,268平方公里。它位于海洋性温带气候向大陆性温带气候的过渡区，年均径流量约为861立方米/秒。在过去几十年中，易北河流域经历了由区域性强降水引发的多次洪水，如2002年8月和2013年6月的极端洪水事件。在气候变化背景下，未来易北河流域的极端洪水情况仍需进一步研究。

研究选取了易北河上游、中游和下游的三个主要城市：布拉格、德累斯顿和汉堡。布拉格是捷克共和国的首都，总人口约为140万，年GDP约为915.3亿美元。德累斯顿是德国萨克森州的首府，总人口和GDP分别为约57万和282.4亿美元。汉堡是德国第二大城市，人口和GDP分别为约191万和超过1600亿美元。当前，这些城市均面临显著的人口老龄化问题，老年人口比例在18.30%至20.40%之间，远高于世界卫生组织定义的老龄化社会阈值（7%）。在气候变化和城市化趋势下，未来老年人口的洪水风险可能进一步上升，因此需要进一步探讨。

本研究采用未来情景分析方法，包括基线期（1971–2015）和未来期（2026–2100）的气候和社会经济情景。根据情景模型互比项目（Scenario MIP），研究采用了三种耦合的气候和社会经济路径：SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5。气候情景包括三种代表性浓度路径（RCP）：RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5，分别代表2100年时2.6到8.5瓦/平方米的辐射强迫水平。研究涉及四个变量：地表径流、径流量、50年一遇洪水峰值和降水量。基线期的数据来自欧洲气候服务（C3S）和全球径流数据中心（GRDC），用于分析过去欧洲地区的洪水情况。未来期的数据则来自欧洲CORDEX集合中的三个全球气候模型（GCM）和三个区域气候模型（RCM），用于推导不同RCP情景下的未来洪水情况。

在社会经济情景方面，研究采用了三种共享社会经济路径（SSP）：SSP1（可持续发展路径）、SSP2（中间发展路径）和SSP5（化石燃料路径），代表从“可持续”到“化石燃料驱动”的不同发展模式。研究涉及三个变量：人口、GDP和土地覆盖类型。基线期的数据来自联合国报告、观测人口数据和土地覆盖数据。未来期的数据则来自人口、GDP和土地覆盖的预测数据，用于刻画不同SSP情景下的时空变化趋势。社会经济数据的处理包括将人口和洪水数据叠加，以统计洪水暴露人数；结合人口和GDP数据，推导出人均收入的空间分布，用于评估暴露人口的脆弱性；土地覆盖数据则用于确定子流域的不透水性和曼宁系数，作为水文模型的输入。

研究采用了一个耦合的水文与水动力建模框架。水文模型用于分析欧洲地区的地表径流和径流量，而水动力模型则用于模拟老龄化城市中的洪水淹没情况。水文建模采用的是半分布式模型VIC-WUR，它是变量入渗容量（VIC）模型的扩展版本。该模型模拟了土壤、植被和大气之间的水和能量交换过程，并考虑了人类活动对水资源的影响。模型使用5公里的网格数据，以捕捉地形的异质性。采用6小时的时间步长，对每个网格内的降水、蒸散发、地表和地下径流以及土壤水分存储等水文过程进行计算，而不考虑网格之间的水交换。这种方法在计算精度和效率之间取得了平衡。

水动力建模则基于水工工程中心（HEC）的河流分析系统，采用浅水方程，有效捕捉河流、渠道和洪水泛滥区中水流的完整动态过程，包括摩擦、地形属性和输水能力。该方法广泛用于模拟洪水淹没的二维网格。模型的主要过程由浅水方程计算，其中包括水深和流速的动态变化。为了提高模型的准确性，研究将未来期的土地覆盖数据进行空间降尺度处理，使用了由Yang等人提出的方法，将其从1公里分辨率降尺度至10米分辨率，从而更精确地推导出未来的地表曼宁系数。

洪水风险分析涉及洪水灾害、老年人口暴露和脆弱性分类。洪水灾害定义为洪水水深和流速的乘积，通过二维淹没模拟得到。洪水暴露是指在不同洪水灾害等级下，老年人口的暴露情况，通过统计各淹没网格内的老年人口得出。脆弱性则从人口密度和人均收入两个角度进行评估。人口密度高的地区由于资源有限，面临更大的医疗救援和疏散挑战，因此脆弱性更高。人均收入较低的群体由于救援和医疗服务水平不足，更容易受到洪水暴露的影响。研究将人口密度和人均收入分为三个脆弱性等级，根据表S3中的标准进行分类。洪水风险则由洪水灾害等级和脆弱性等级的乘积确定，进一步划分为三个风险等级（低、中、高）。风险矩阵展示了不同灾害和脆弱性等级下的暴露比例，如图S10–S11所示。

研究结果表明，极端洪水在欧洲地区的老年人口中表现出显著的时空变化。图1a1–a3显示了1971–2100年间欧洲地表径流的变化情况。尽管不同地区的径流变化存在空间异质性，但整体趋势相对明显。特别是在SSP5-8.5情景下，东欧高加索山脉、西欧的伊比利亚半岛以及南欧的亚平宁半岛和巴尔干地区出现了径流的显著下降，其中伊比利亚半岛的径流变化超过50%。相比之下，北欧和中欧地区则出现了径流的增加，部分中欧河流流域（如多瑙河中游、易北河中游和奥得河上游）的径流增加超过50%。图1b1–b3展示了主要河流在不同气候情景下的洪水峰值变化。在整个时期内，中欧主要河流的中下游洪水峰值保持在较高水平，均超过1000立方米/秒。某些多瑙河、波河和第聂伯河的支流甚至达到3000立方米/秒以上。而在北欧和南欧，只有少数主要河流的洪水峰值超过2000立方米/秒。

同时，欧洲老年人口呈现快速增长和高度集中的趋势。图1c1–c3展示了不同情景下欧洲老年人口的增长趋势和空间分布。整体来看，欧洲的老龄化进程正在加剧，大多数地区的老年人口增长率超过200人/平方公里。老年人口的增长主要集中在中欧和西欧，如英国东海岸、德国东北部和伊比利亚半岛沿海地区，这些区域靠近伦敦、汉堡和巴塞罗那等大城市。综上所述，中欧和西欧不仅面临因径流增加而导致的洪水风险，同时这些区域也是老年人口高度集中的地区。因此，需要重点关注这些地区，研究其在未来气候变化和人口老龄化背景下的洪水风险。

研究还分析了不同流域和城市中老年人口的洪水暴露风险。图2a1–a4展示了卢瓦尔河、莱茵河、易北河和多瑙河四个流域的洪水变化情况。在卢瓦尔河流域，洪水在上游和中游显著增加，其中上游的洪水增加达到300%。莱茵河流域的洪水增加超过100%，部分区域甚至达到200%以上。多瑙河流域的洪水主要集中在中游，增加幅度普遍超过100%。而易北河流域的洪水增加最为显著，全年洪水均上升，特别是中下游地区，大部分区域的洪水增加超过200%。图2b1–b4分析了不同流域的季节性径流变化。卢瓦尔河流域在冬季和春季径流增加约10%–20%，而在夏季和秋季则减少约10%–20%。莱茵河流域在冬季和春季的径流增加约30%–40%，尽管夏季和秋季径流有所下降，但靠近冬季和春季的月份仍显示出约20%的增加。多瑙河流域的径流整体呈上升趋势，冬季平均增加50%，而夏季径流和某些月份则略有下降。易北河流域的径流全年上升，平均增加超过20%，部分夏季月份的径流增加甚至超过30%。图2c1–c4展示了各流域老年人口的十年变化趋势。卢瓦尔河流域的老年人口预计将以每年8%的速度增长，莱茵河和易北河流域的老年人口增长则预计在2030年出现短期激增，这可能与人口结构变化和区域人口迁移有关。多瑙河流域的老年人口预计到2050年将增长5%–10%，之后保持稳定或略有下降。

在三个老龄化城市中，易北河流域的洪水峰值和老年人口增长最为显著。图3a1–a3显示了易北河流域内老年人口增长情况。在SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下，老年人口增长范围从30%到100%。老年人口增长主要集中在大型城市，如布拉格、德累斯顿和汉堡，预计到2100年，每个城市的老年暴露人数将超过10万人。图3b1–b3展示了这三个城市的老年口增长趋势。到2100年，布拉格、德累斯顿和汉堡的老年口预计将从约40万人增加到最多204万人，其中布拉格和汉堡的老年口增长更为显著，这可能与城市规模和人口基数有关。图3c1–c3展示了这三个城市径流的年际变化。布拉格的径流从基线期的284.3立方米/秒增加到未来期的267.6–279.2立方米/秒，接近基线水平。相比之下，德累斯顿的径流从基线期的328.2立方米/秒增加到未来期的435.8–440.3立方米/秒，增加了约34%。汉堡的径流从基线期的695.5立方米/秒增加到未来期的819.0–827.6立方米/秒，显示出比德累斯顿和布拉格更强的年际波动，这表明在气候变化背景下，汉堡的洪水风险存在更高的不确定性。

在洪水暴露风险方面，研究发现布拉格、德累斯顿和汉堡的老年人口面临更高的洪水灾害。图4a1–a3显示了这三个城市在不同情景下的洪水峰值、水深和流速变化。布拉格的百年一遇洪水峰值从基线期的1045立方米/秒增加到SSP2-4.5情景下的1841立方米/秒，置信区间为1288–2963立方米/秒。德累斯顿的洪水峰值增加最为显著，达到106.91%，中位数从1100立方米/秒（置信区间为726–1800立方米/秒）增加到2276立方米/秒（置信区间为1794–2905立方米/秒）。而汉堡的洪水峰值仍然处于较高水平，中位数在SSP1-2.6情景下达到3079立方米/秒（置信区间为2292–3656立方米/秒）。图4a2显示，基线期的洪水水深范围为1.55–2.43米，而在气候变化背景下，水深增加至2.45–3.05米。洪水流速也呈现相似趋势，从基线期的0.03米/秒增加到未来期的0.04–0.42米/秒。在这三个城市中，汉堡的洪水淹没程度较布拉格和德累斯顿而言更为温和，表明该地区的洪水灾害风险相对较低。

进一步分析显示，这三个城市的老年口在不同洪水灾害等级下的暴露情况存在显著差异。图4b1–b3展示了洪水暴露的区域分布、人口密度和人均收入对脆弱性的影响。布拉格的暴露老年人口在基线期为1600人，到SSP5-8.5情景下增加至最多8100人，置信区间为6500–9800人，其中27%–38%的暴露老年人口面临高风险洪水。德累斯顿的暴露老年人口范围为9500–20500人（置信区间为17200–25000人），其中23%–28%的暴露老年人口面临高风险洪水。汉堡的暴露老年人口在SSP5-8.5情景下最多达到27000人（置信区间为25000–31200人），其中只有1%的暴露老年人口面临高风险洪水。图4b2显示，布拉格的暴露老年人口由于高人口密度，其脆弱性显著增加，高密度暴露比例从基线期的27%增加到SSP5-8.5情景下的78%。汉堡的高密度暴露比例也呈现三倍增长，从14%增加到40%。相比之下，德累斯顿的洪水暴露相对较低，其中15%–18%的暴露老年人口属于高密度居住区。在人均收入方面（图4b3），布拉格的暴露老年人口中，超过90%属于高收入群体（人均收入超过14000美元），这表明其因有效的应急响应和高保险覆盖率而具有较低的脆弱性。相比之下，德累斯顿的暴露老年人口因社会经济变化而面临更高的脆弱性，低收入（人均收入低于4500美元）暴露比例达到15%。而汉堡则因经济发展，低收入暴露比例从基线期的14%下降至至少5%。

研究还揭示了洪水风险在不同社会经济条件下的加剧。图5和图6展示了洪水风险的分布情况，包括人口密度导向和经济导向的洪水风险。布拉格的高风险暴露比例在基线期为40%，在SSP5-8.5情景下增加至最多54%。而德累斯顿和汉堡的高风险暴露比例则相对较低，分别为13%–16%和53%–88%。图5显示，布拉格的高风险暴露主要集中在市中心河岸区域，这与洪水的深度和速度以及老年人口的密集分布有关。图6则展示了经济导向的洪水风险分布，布拉格的高风险暴露比例从基线期的62%增加到未来期的71%，而德累斯顿和汉堡的高风险暴露比例则分别增加至26%–38%和0%–3%。这表明，随着气候变化的加剧，洪水风险在不同社会经济条件下呈现出不同的加剧模式。此外，经济导向的洪水风险显示出与人口密度导向风险相反的分布特征，郊区的高风险暴露比例更高，这归因于这些地区的人均收入水平较低。

本研究的结果对洪水风险管理具有重要的启示。首先，应充分考虑气候变化和经济社会变化对水文环境的影响，在政策制定中，需要根据不同的气候情景评估防洪基础设施的应对能力。其次，除了防洪基础设施，还应将社会脆弱性纳入风险评估和管理中，以有效应对老年人口的洪水风险。此外，随着极端事件的加剧和城市地表的时空变化，洪水预警和应急响应将面临更大的挑战。因此，将深度学习技术引入基于物理的建模框架，有助于实现洪水峰值和流速的实时和高精度预测，从而在洪水暴露区域降低健康和死亡风险，特别是在低收入地区。这种综合方法有助于减少区域不平等，推动联合国可持续发展目标的实现。

综上所述，本研究以欧洲为例，结合全球气候模型（GCM）和社会经济路径（SSP）预测，分析了老年人在气候变化和人口老龄化背景下的洪水风险。研究结果表明，中欧地区的地表径流和径流量显著增加（超过50%），导致主要流域（如卢瓦尔河、莱茵河、易北河和多瑙河）的洪水更加严重。其中，易北河流域的百年一遇洪水峰值增加了约107%，老年人口增长约15%，在高温室气体排放情景（SSP5-8.5）下，最多有51300名老年人（置信区间为45300–60500）面临洪水威胁，其中最多58%的老年人属于密集居住区或中低收入群体。在老龄化城市中，布拉格受到洪水影响最大，暴露于高风险区域的老年人比例最高达到40%–54%。德累斯顿和汉堡则紧随其后，其中最多有18%的暴露老年人面临高风险洪水。研究揭示了在变暖气候和人口老龄化背景下，脆弱群体（老年人、低收入群体）的洪水暴露风险显著增加，这可能导致区域不平等的加剧。本研究的发现将为全球变化背景下的可持续洪水风险管理提供新的思路和方法。