《Journal of Hydrology》：Global spatiotemporal dynamics and population exposure of extreme precipitation intensity-frequency combination types (1961–2020)
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•一种联合强度-频率框架将极端降水（EP）分类为九种类型。•全球约56%的陆地区域经历了主导EP组合类型的转变。•EP的演变呈现出显著的非对称性，主要由频率变化驱动。•人口稠密地区面临更大的LM型EP暴露风险。引言气候变暖导致极端降水（EP）的频率和强度不断增强，已成为气象学
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一种联合强度-频率框架将极端降水（EP）分类为九种类型。
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全球约56%的陆地区域经历了主导EP组合类型的转变。
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EP的演变呈现出显著的非对称性，主要由频率变化驱动。
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人口稠密地区面临更大的LM型EP暴露风险。
引言
气候变暖导致极端降水（EP）的频率和强度不断增强，已成为气象学、水文学和灾害风险管理中的关键问题，加剧了社会和生态系统的脆弱性（Cologna等，2025）。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）确认，自1850年以来全球平均地表温度上升约1.1°C，使大气水汽含量增加约每升温1°C增加7%，这与克劳修斯-克拉珀龙方程一致（IPCC，2023a；Pińskwar等，2019）。这种增强的水汽承载能力加剧了水文循环过程，放大了EP的频率和强度（Han等，2019）。这些物理机制的变化导致降水特征发生显著变化，对社会、经济和生态系统产生深远影响（Cologna等，2025；IPCC，2023b）。因此，分析全球EP的历史趋势对于理解其演变动态并制定有效的适应策略以减轻未来风险至关重要。
越来越多的证据表明，全球变暖已显著改变了EP事件的强度、频率和空间分布（Donat等，2013；Min等，2011；Myhre等，2019；Wei等，2023）。总体而言，降水过程正向更剧烈、持续时间更短的释放方式转变（Sun等，2022）。全球许多地区超过固定或百分位降水阈值的日数也在增加，表明EP事件的发生更为频繁（Thackeray等，2022）。然而，这些变化在空间上远非均匀。研究表明，亚洲季风区、北美东部、欧洲部分地区以及南美洲一些地区EP强度显著增加，而一些中纬度干旱和半干旱地区则呈现出更为复杂甚至相反的趋势（Li等，2024；Yate和Ren，2025）。这种空间异质性反映了多种因素的综合影响，包括热力增湿、大气环流、水汽输送、地形效应、海陆热力差异以及区域气候系统的变化（Cavazos等，2008；Liu等，2020；Zhao等，2022）。
尽管以往的研究在理解EP强度与频率的长期变化方面取得了显著进展，但这两个维度在其演变过程中并非必然耦联（Zhang等，2023b；Zhang和Cong，2014）。在一些地区，EP频率可能增加而事件强度减小，或反之亦然（Gao和Wang，2017）。强度和频率的不同组合可能导致截然不同的水文后果和灾害影响。以高强度和高频率为特征的地区可能更容易遭受持续且严重的洪水或城市内涝，而高强度但低频率的地区则可能面临突发性高影响事件。因此，单独分析强度和频率可能会掩盖EP总体格局的关键变化。近年来，关于复合气候事件和多维度灾害评估的研究日益强调需要从多个事件属性的联合变化角度进行考察。然而，目前对于全球EP强度-频率耦联格局的一致性评估、其主要空间模式及其随时间的转变仍较为有限。
在此背景下，需要阐述三个具体的研究空白。第一，EP格局的演变涉及强度和频率两方面的变化，而现有研究大多将这两方面分别处理（Myhre等，2019；Yate和Ren，2025），缺乏对EP动力学特征的系统性和全面性全球表征，尤其是强度与频率的协同演变。这将限制对EP事件机制和后果的深入理解。第二，气候变化检测与指标专家团队（ETCCDI）的标准指标已被广泛应用于全球或区域EP研究（Faye和Akinsanola，2022；Kim等，2020；Yate和Ren，2025）。尽管该方法具有明显优势，但在捕捉强度和频率的协同演变及其转变模式方面存在局限性。现有文献中采用新方法或新视角分析全球EP时空模式的相对较少。第三，EP灾害的社会意义从根本上取决于人口暴露度。然而，EP格局的转变往往是在脱离人口分布的情况下进行评估的，尽管灾害风险是由灾害和暴露共同决定的（Jhong等，2019）。这种分离可能会掩盖EP变化对人类人口影响最为显著的地区。
因此，本研究基于K-means聚类方法开发了一种客观的分析框架，在考虑强度和频率两个方面的同时，系统地表征全球EP的时空动力学特征。具体而言，将EP事件分为九种强度-频率组合类型（如低强度高频率型）。确定了两个气候时期（1961–1990年和1991–2020年）的主导EP强度-频率类型，并量化了其空间覆盖范围和转变模式。此外，针对不同危害潜力水平和人口密度地区的EP格局演变进行了分析。本研究旨在全面回答两个关键问题：（1）两个气候时期全球EP强度-频率格局发生了怎样的变化，这些耦联变化的空间模式和转变路径是什么？（2）EP强度-频率格局的变化在不同危害潜力和人口密度地区有何差异，哪些地区的人口暴露最为显著？
章节摘录
EP的定义与数据源验证
我们采用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5-Land再分析数据集（1961–2020年，0.1°×0.1°分辨率）（Sabater，2019）来分析EP。ERA5-Land因其相对较高的空间分辨率和更好的时间连续性而被广泛使用。逐小时累积降水数据被聚合，以从每日第24小时的值推导出日降水量。EP事件的识别采用基于每个格点计算的第99百分位（P99）阈值
EP强度和频率的时空格局
为探讨全球EP类型在两个时期（1961–1990年和1991–2020年）的时空格局，我们利用ERA5-Land数据独立分析了强度和频率类型。图1展示了两个时期全球EP频率类型的分类及其面积比例。结果表明，低频率型在两个时期均占主导地位，分别占全球面积的58.54%和43.97%，从第一时期（1961–1990年）到第二时期
讨论
本研究系统地分析了1961年至2020年全球EP的演变模式，将其均分为气候基准期（1961–1990年）和近期（1991–2020年）。新提出的K-means聚类框架实现了将EP分类为不同的强度-频率组合类型，有助于我们调查和理解全球EP动力学特征，特别是其强度与频率的协同演变。
结论
本研究利用ERA5-Land数据和联合强度-频率分类框架，调查了1961年至2020年两个时期全球极端降水（EP）的演变。通过将近期（1991–2020年）与气候基准期（1961–1990年）进行对比，我们确定了主导EP类型的主要转变，并评估了其人口暴露特征。
全球约56%的陆地区域经历了主导EP强度-频率组合
CRediT作者贡献声明
张子龙： 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法学，形式化分析，概念化。王兆生： 撰写——审阅与编辑，可视化，监督指导，方法学，概念化。张江： 撰写——审阅与编辑，软件。廖翠娟： 撰写——审阅与编辑，可视化。陈佳铭： 撰写——审阅与编辑，可视化。陈敏： 撰写——审阅与编辑，验证，监督指导，方法学。黄缘
利益冲突声明
作者声明以下可能被认定为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：黄缘源报告称，论文出版费用、设备、药物或物资以及写作协助由中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室（中国北京）提供。如有其他作者，他们声明没有已知
致谢
本工作得到中国科学院战略性先导科技专项（B类，地理智能，编号XDB0740300）和秦岭气候经济研究中心（研究院）开放研究基金项目（202503）的支持。
张子龙|王兆生|张江|廖翠娟|陈佳铭|陈敏|黄缘源
