中国干湿极端天气频发，缩短恢复时间并阻碍经济增长

《Environmental Impact Assessment Review》：Accelerated dry-wet extremes in China compress recovery windows while impeding economic growth

　　

摘要

气候变化引发的“双热浪驱动的干旱-湿润极端事件”——其特点是热浪期间干旱与洪水状态会突然交替出现——正对城市可持续性构成日益严重的威胁。通过对334个中国城市（1980–2023年）的数据分析，我们发现这类事件的频率（0.34 ± 0.09次/年）和强度（0.08 ± 0.04单位/年）都在上升，且南北地区存在明显差异。我们引入了一种新的“时间紧迫度”指标，用于衡量在干旱与湿润极端状态之间进行恢复或应对的相对时间，结果发现这一时间呈危险性的下降趋势。面板模型分析表明，这类事件会造成非线性的经济损失，当时间紧迫度低于0.33时就会出现潜在的预警阈值。根据SSP585气候情景预测，到2100年这类事件的频率将上升270 ± 120%，进一步压缩了恢复时间。因此，我们提出了一种“阈值预警-窗口行动”框架，通过实证得出的时间阈值来指导风险优先级划分和提前准备，帮助那些面临缩短的恢复时间和日益增加的经济风险的城市采取主动适应措施。

引言

全球气候系统正在经历快速变化，这种变化既源于气候变异性的增加，也受到人类活动的影响（Zhang等，2021；Zhou等，2023a；Zhou等，2023b）。IPCC强调了稳定气候的紧迫性（IPCC，2023），但极端天气事件的增多依然带来巨大挑战。许多此类极端事件是由多种灾害共同作用产生的，即复合型灾害（Hao和Chen，2024；Zhou等，2023），与单一灾害相比，它们往往会造成更为严重的后果（Zscheischler等，2014）。这些连锁反应会威胁到水资源安全（Liao等，2021）、农业生产力与粮食安全（Ray等，2015）、陆地碳汇功能、人类健康（Bezirtzoglou等，2011）以及经济稳定（Kotz等，2022）。虽然自然系统和社会系统已经能够适应区域性的气候变化（Iles等，2024），但气候变化的加速发展使得极端天气现象超出了历史阈值，从而增加了出现前所未有的极端事件的可能性（Fischer等，2021）。例如，2024年11月，西北太平洋地区出现了罕见的四次台风同时出现的现象，扰乱了该地区的天气状况。这些例子都表明复合型极端事件的复杂性正在不断增加，给城市可持续发展和社会治理带来了前所未有的挑战。

随着气温持续升高，降水量的变化幅度可能会进一步缩短干旱与湿润极端状态之间的间隔时间（Aghakouchak等，2020；Fischer等，2021；Hao和Chen，2024）。现实中的案例越来越多地显示出，水文气候状态可能在短时间内发生急剧变化。例如，2017年加州在经历创纪录的干旱和高温之后不久就遭遇了强降雨和山体滑坡（Yin等，2018）；而2022年夏季热浪期间，长江流域的降水量也发生了显著变化（He和Sheffield，2020）。异常高的温度会通过增强陆地蒸发、增加表面热量通量以及加速热力反馈机制，促使干旱与湿润状态更快地相互转换，进而改变这两种极端状态的出现顺序（Qing等，2023；Zeng等，2023）。在这里，我们将“双热浪驱动的干旱-湿润极端事件”定义为具有“跷跷板效应”的复合型灾害，即一种极端状态会迅速转变为另一种状态，这可能会加剧各种社会经济层面的负面影响。根据克劳修斯-克拉佩龙定律，气温上升会增强蒸发作用并提高大气持水能力，从而进一步加剧干旱与湿润状态的交替出现（Zhang等，2024）。然而，目前关于这类事件的历史分布、长期演变规律以及次季节性出现时间的研究还十分有限，因此有必要对其特征进行深入研究，以便为有效的适应措施制定提供依据。

目前针对复合型极端事件的研究大多从自然科学的角度出发，主要关注其直接和即时的影响（He等，2024a；Tan等，2023），而较少考虑其长期的宏观经济影响。与降水和温度相关的极端事件会破坏农业生产力（Ray等，2015）、影响劳动力供应（Yao等，2024），还会扰乱能源的供需平衡（Carleton和Hsiang，2016），进而引发广泛的经济冲击（见图1）。例如，2022年欧洲的干旱就因航运和资源供应受阻，导致了约0.5%的GDP损失（Naumann等，2021）。最新研究还发现，潮湿的高温会增加死亡风险，尤其是35岁以下的年轻人——他们可是劳动力队伍中的重要组成部分——更容易受到影响（Wilson等，2024）。虽然单一变量导致的极端事件已经被较为充分地研究过，但随着多变量复合型极端事件的日益常见，我们需要将研究重点转向这类事件所造成的连锁损失上（Kotz等，2022；Naumann等，2021）。2022年，中国长江流域就发生过一起此类事件，造成了64亿美元的直接经济损失（Hao等，2023；Kotz等，2022）。这类事件的双重性质呈现出一种矛盾现象：在极端热浪作用下，干旱与湿润状态之间的转换虽然可能暂时补充水资源（Konapala等，2020），但同时也会加剧诸如干旱导致的土壤退化、湿润阶段植被过度生长，以及随后可能出现的洪水或野火等风险（Swain，2021）。尽管人们对干旱与湿润状态转换的物理机制已有了一定了解，但其带来的经济影响仍缺乏系统性的量化分析。再加上不同地区的脆弱性差异以及各经济体之间的相互依赖关系，这些风险会进一步加剧经济的不稳定性（Kuhla等，2021）。目前的评估往往只关注个别行业或单一灾害，无法全面体现极端状态本身及其转换过程所带来的更广泛的宏观经济风险（McMichael等，2006）。因此，迫切需要开展相关研究，明确这类事件的影响程度，确定抵御风险的临界值，为制定可持续的气候政策提供科学依据。

中国由于极易受到西北太平洋季风的影响，近年来干旱与湿润状态的转换越来越频繁，未来这类事件的发生成本可能还会进一步上升（Hao和Chen，2024；Rentschler等，2023）。在本研究中，我们分析了1980年至2023年近半个世纪以来334个中国城市的这类事件的特征（见图S1和图2）。与以往关于干旱与湿润状态转换及复合型极端事件的研究相比，本研究在三个方面做出了新的贡献。首先，除了传统的频率、最大强度和持续时间等指标外，我们还引入了“时间紧迫度”这一指标，它指的是事件转换持续时间与整个事件持续时间的比值。这一指标能够反映这类事件内部的时间结构，体现出在两种极端状态之间进行恢复或应对的相对时间。这一点非常重要，因为连续发生的灾害所带来的影响不仅取决于它们的强度，还取决于受影响系统是否有足够的时间在下一场灾害到来之前恢复过来。已有研究表明，如果灾害在系统尚未完全恢复时就再次发生，那么它们的影响可能会叠加，从而增加非线性及连锁性损失的概率（de Ruiter等，2020；Pescaroli等，2024）。其次，我们利用固定效应面板回归模型，将这些指标与各城市的宏观经济数据相结合（详见扩展数据表1），以此量化这类事件带来的宏观经济影响，并探索其可能的传导路径（见图3）。最后，我们借助CMIP6-GCM气候模型预测，分析了在不同升温情景下，2024年至2100年间这类事件的变化趋势及其带来的经济后果（见图4）。通过将事件动态、宏观经济影响以及未来风险联系起来，本研究为理解复合型极端事件的时间复杂性、确定具有政策意义的临界值，以及为气候风险管理和韧性规划提供了一套分析框架。

章节节选

数据来源

每日最高气温（T_max，单位：℃）和降水量（P，单位：毫米）的数据来自中国境内的2474个气象站（见图S2）。这些数据由中国气象数据服务中心负责收集和质量控制，之后还使用了RHtestsV3软件进行标准化处理，以消除最高气温数据中的不连续现象（Xu等，2013）。经过标准化处理后，又排除了在温暖季节（5月至9月）内有≥5次数据缺失的气象站，最终有2231个气象站的数据被纳入分析范围。

DHDWEs事件显著增加

我们利用每日气象站数据，分析了热浪伴随干旱、热浪伴随湿润以及“双热浪驱动的干旱-湿润极端事件”这三类极端气候事件的分布特征和气候变化趋势（见图S6）。在过去的五十多年里，涉及热浪和极端降水的复合型极端事件的频率和发生概率都出现了显著上升（见图S6a-b）。这两种复合型极端事件同时发生的概率则从每年0.44%上升到了7.1%（见图S6c）。热浪伴随湿润的事件在过去的表现已经发生了变化……

讨论

近期的气候变化改变了极端天气事件的分布模式，“双热浪驱动的干旱-湿润极端事件”正逐渐成为一种日益严重的威胁（Aghakouchak等，2020；Naumann等，2021；Qian等，2023；Wang等，2023）。与传统意义上的复合型极端事件不同，这类事件中的热浪会同时加剧干旱和湿润两种水文气候极端状态，从而产生复杂的社会经济影响（Kotz等，2022；Qian等，2023）。尽管降水量的剧烈波动、干旱与湿润状态的快速转换以及与热浪相关的复合型极端事件……

结论

我们的研究结果表明，气温上升会提高“双热浪驱动的干旱-湿润极端事件”的发生频率和强度，同时还会通过缩短事件总持续时间以及加快两种极端状态之间的转换速度，来改变这类事件的时间结构。因此，这类事件属于一类具有非线性经济影响的特殊复合型极端事件，其中干旱与湿润状态之间的转换时间在减轻损失方面起着关键作用。复杂的气候相互作用以及地区间的差异还会进一步影响这些事件的后果，我们的研究结果表明……

开放研究

本研究所需的每日气象数据、经过处理的“双热浪驱动的干旱-湿润极端事件”相关指标，以及支撑研究结论的社会经济数据，都已经公开发布在Zenodo数据库中，访问地址为：https://doi.org/10.5281/zenodo.18850025。我也在Zenodo数据库中分享了我的数据链接。

我的数据链接已经发布在Zenodo数据库中了。

利益冲突声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42571103）以及中国国家自然科学基金国际（区域）合作与交流项目（项目编号：42561134232）的支持。

本研究中的计算工作是在复旦大学的CFFF计算平台上完成的。

马文娟|余照武|胡雨霞|杨文军|张玉佳|唐旭|李燕|李长佳|刘文斌|高彦红|梅伟|陈国兴|何蝉生|胡金宇|吴业汉|陈斌|德鲁·辛德尔

中国上海，复旦大学环境科学与工程系