《Environmental Challenges》：Spatiotemporal Patterns of Climate Extremes and Compound Hazards: A Case Study of Saudi Arabia
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干旱地区正面临日益加剧的人为增暖，其气候极端事件加速演变，但这些极端事件在城市尺度上的共现特征迄今仍缺乏系统刻画。本研究评估了沙特阿拉伯五大主要城市——利雅得、吉达、达曼、麦加和麦地那——在1981至2022年间的温度极端事件、降水极端事件及复合高温灾害。
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干旱地区正面临日益加剧的人为增暖，其气候极端事件加速演变，但这些极端事件在城市尺度上的共现特征迄今仍缺乏系统刻画。本研究评估了沙特阿拉伯五大主要城市——利雅得、吉达、达曼、麦加和麦地那——在1981至2022年间的温度极端事件、降水极端事件及复合高温灾害。逐日最高和最低气温取自全球逐日摘要（GSOD）数据库经质量控制的气象记录，逐日降水取自气候灾害组红外降水与站点数据（CHIRPS）在各站点所在网格单元的值。研究对10项气候变化检测与指数专家组（ETCCDI）指标及标准化降水指数（SPI）进行了Mann–Kendall（MK）检验、针对序列自相关的方差校正、Sen斜率估计及错误发现率（FDR）控制。冷夜频率（TN10p）在全部五个站点均呈下降趋势，降幅为每十年3.1%至4.9%，年平均最低气温以每十年0.51至0.95°C的速率上升。年最高气温（TXx）在四个站点以每十年0.31至0.74°C的速率上升，麦加增速最快，而吉达的趋势未达到5%显著性水平。暖昼频率（TX90p）在上述四个站点以每十年2.0%至4.3%的速率增加。降水指数未呈现一致趋势，仅麦加记录到湿润化信号。复合热浪与干旱天数仍属罕见，复合灾害指数（CHI）介于0.09至0.15之间，而热浪与极端降水同时发生的天数在整个记录期内仅有4天。
论文解读文章
一、研究背景与问题
全球平均地表温度较工业化前已上升1.09°C（2011–2020年相对于1850–1900年），而干旱和半干旱地区的升温速率是全球平均水平的2至3倍。阿拉伯半岛是地球上热环境最为极端的区域之一，夏季最高气温经常超过50°C。沙特阿拉伯的季节气候特征显示，鲁卜哈利沙漠存在持续干旱带，半岛西南部为相对多雨区，西部为湿季气温最高区域；全国气温在干季以每十年0.72°C、湿季以每十年0.51°C的速率上升。这种地理异质性意味着单一的区域气候轨迹无法充分刻画该国主要人口中心所面临的不同灾害暴露。
快速城市化构成了独立于大尺度气候变化之外的次级强迫因素。在达曼、麦加、麦地那、吉达、利雅得和阿布哈等地，1994–2024年间城市区域的最低气温较乡村区域高出0.85°C（ERA5-Land）至1.10°C（CHIRTS-ERA5），而最高气温则呈现反向热岛效应，乡村区域反而高出1.52至1.73°C。利雅得都市区人口在2020年已超过700万，其年平均气温上升速度快于全国背景速率。吉达地处红海沿岸低海拔地带，面临以复合海洋湿度和极端高温为主导的独特灾害特征，并周期性遭受强短时降雨引发的灾难性山洪。达曼及东部省城市群则受海湾海表温度异常影响，这种异常同时调节湿度调整后的热应激和含尘极端高温事件的频率。
沙特2030愿景发展议程涵盖交通、能源和水系统的大规模基础设施投资，所有这些都需要在国家和区域分析无法提供的空间分辨率上进行气候风险评估。此外，每年数百万国际朝觐者在朝觐和副朝季节汇聚于麦加和麦地那，在热浪事件与朝觐高峰期重合的年份已造成超额死亡。
现有文献存在两个明显空白：第一，早期站点研究确立了全国尺度温度极端事件的升温趋势，但未联合检验站点记录的同质性、年度指数序列是否存在会夸大MK统计量的序列自相关，以及多重同时检验是否产生虚假检出；第二，现有研究多在区域尺度描述复合高温和湿度灾害，单个城市此类灾害的频率很少以明确的逐日共现定义加以量化。现有文献未能在沙特主要城市的比较评估中同时结合同质性检验、序列自相关校正和多重检验控制，导致城市尺度结果难以比较，已发表的升温和干燥信号对规划用途的稳健性也未得到验证。
二、研究内容与意义
本研究通过1981至2022年沙特阿拉伯五个主要城市中心的多城市、多灾害气候极端事件评估来填补上述空白。研究将ETCCDI指数、带序列自相关和多重检验校正的非参数趋势检测、干旱指数、同质性检验以及复合事件的逐日定义纳入统一框架。研究目标包括：计算五个城市的ETCCDI温度和降水极端指数；使用带Hamed–Rao方差校正的Mann–Kendall检验、Sen斜率估计和5%水平的FDR控制检测并量化各指数的长期单调趋势；以明确的逐日共现定义刻画所有研究城市复合热浪与干旱日、复合热浪与极端降水日的频率和年代际演变；比较五个站点的趋势幅度和复合灾害指数；提供各城市风险排序和适应相关指标以支持城市气候韧性规划。
三、关键技术方法
研究使用了以下主要方法：温度数据取自美国国家环境信息中心（NCEI）的GSOD逐日观测记录，降水数据取自CHIRPS 2.0版0.25°网格产品，ERA5再分析数据作为独立参考序列；质量控制剔除了物理极限外数值、TX小于TN的日期、超过7天的连续相同值、偏离日历日均值超过5个标准差的值以及站点与ERA5差值偏离月均值超过5个标准差的数值。ETCCDI框架计算温度和降水极端指数，百分位阈值基于1981–2010年基期（麦加为1984–2013年）各日历日5天窗口，并采用自助程序避免基期边界趋势的人为膨胀。干旱表征采用3个月和12个月累积窗口的SPI，以最大似然估计拟合双参数伽马分布，Kolmogorov–Smirnov检验验证拟合优度。趋势检测采用Mann–Kendall检验，以Hamed–Rao方差校正处理序列自相关，Sen斜率估计趋势幅度，Benjamini–Hochberg FDR控制在5%水平控制多重检验错误。
四、研究结果
温度极端事件趋势：冷夜频率（TN10p）在全部五个站点均显著下降，降幅为每十年3.1%至4.9%；年平均最低气温以每十年0.51至0.95°C的速率上升。年最高气温（TXx）在利雅得、达曼、麦加和麦地那四个站点以每十年0.31至0.74°C的速率上升，麦加增速最快，而吉达趋势未达到5%显著性水平。暖昼频率（TX90p）在上述四个站点以每十年2.0%至4.3%的速率增加。
降水极端事件趋势：降水指数未呈现一致趋势，仅麦加记录到湿润化信号。CHIRPS与站点雨量计在湿/干状态判定上94%至97%一致，但CHIRPS仅捕捉到31%至37%的雨量计湿日，限制了逐日降雨时机的解释。
复合灾害特征：复合热浪与干旱天数在研究期间保持罕见，复合灾害指数（CHI）介于0.09至0.15之间；热浪与极端降水同时发生的天数在整个记录期内仅有4天。
五、讨论与结论
讨论部分指出，五个站点一致呈现的冷夜频率下降和最低气温上升表明夜间变暖是沙特城市最稳健的气候变化信号，其幅度超过日最高气温的变化。麦加作为海拔较低的内陆盆地城市，其TXx增速最快，这一发现与朝觐期间大量国际朝觐者暴露于极端热应激的公共健康关切直接相关。吉达未检出显著TXx趋势，可能与其沿海位置和海洋调节作用有关。降水指数缺乏一致趋势与区域研究的结论相符，表明沙特降水对气候变化的响应在空间上高度异质。复合灾害的低频性表明，在当前气候状态下，热浪与干旱或极端降水的共现仍是罕见事件，但其潜在影响不容忽视，因为复合事件的单次发生即可产生远超单一灾害的影响。
研究结论可概括为：1981至2022年间，沙特阿拉伯五大城市的温度极端事件呈现一致的升温信号，以夜间变暖最为显著；冷夜频率全面下降，暖昼频率在多数城市上升；降水极端事件无一致趋势；复合热浪与干旱及复合热浪与极端降水事件在当前气候下仍属低频。这些发现为城市气候韧性规划提供了站点尺度的量化依据，特别是麦加和麦地那的朝觐健康风险管理和利雅得的基础设施适应设计。
