识别主要全球河流流域中多类型复合事件的热点区域及其影响因素

《Journal of Hydrology》：Identifying hotspots and impact factors of multi-type compound events over major global river basins

基于全球520大河流域1980-2019年观测数据与再分析资料，系统分析了12类复合事件（CEs）的空间分布、频率特征及驱动机制。研究发现东亚、北美等地CEs频次显著，其中干旱-高温（D-H）、土壤湿度-极端降水（M-P）和空间集中性极端降水（spat.P）占比最高。通过概率比回归模型识别出ENSO、AO和NP是主要影响因子，其中ENSO贡献率达42%-84%。研究为区域气候适应策略制定提供科学依据。

　　

邹磊|于家瑞|王刚胜|王飞宇|佘敦贤|夏军

中国科学院地理科学与自然资源研究所水循环及相关陆地表面过程重点实验室，北京 100101，中国

摘要

复合事件（CEs）对灾害风险管理构成了巨大挑战，因为它们可能会放大对全球互联的社会经济系统的风险。识别复合事件的热点区域并理解其影响因素对于制定有针对性的气候适应策略至关重要。在这里，我们分析了12种类型的复合事件，这些事件由七种不同的灾害（例如热浪、干旱和极端降水）和一种前提条件（即前期土壤湿度）的配对组合而成，使用了1980-2019年间520个主要河流流域的水文气象变量的全球观测和再分析数据集。基于复合事件的复发周期揭示了其热点区域，并进一步探讨了每个大陆上复合事件的频率和季节性。最后，通过比值比（OR）值确定了多种大气环流变异模式中的影响因素。结果表明，复合事件的热点区域主要位于东亚、北美东部、北美西部、地中海和澳大利亚北部。复合干旱-热浪事件（D-H）、复合前期土壤湿度-极端降水事件（M-P）和空间复合极端降水事件（spat.P）的发生频率通常高于其他复合事件，分别占六大洲所有复合事件的12.97%~27.05%、5.22%~22.92%和15.68%~21.13%。其中，M-P和spat.P仅在亚洲和西南太平洋表现出强烈的季节性。厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、北极涛动（AO）和北太平洋模式（NP）是大多数复合事件的重要影响因素，与ENSO、AO和NP异常期间的复合事件发生率分别相关，占比为42.19%~84.83%、33.80%~71.14%和0.79%~25.35%。这些发现揭示了复合事件的空间异质性，主要是由大气环流异常驱动的，这可以为流域尺度的气候风险管理提供依据。

引言

与气候相关的灾害在全球范围内急剧增加，2000年至2019年间导致超过47万人死亡和1.47万亿美元的经济损失（联合国减灾署，2020年）。这些灾害（如洪水、野火、热浪和干旱）通常是由多种驱动因素或灾害的复合效应引发的。这种组合会加剧社会或环境风险，被称为复合事件（CEs）（Zscheischler等人，2018年）。与单一灾害事件相比，复合事件往往会在空间和时间上放大影响（Gu等人，2022年）。一个显著的例子是2022年中国长江流域发生的复合热浪-干旱事件，影响了3830.5万人（应急管理部，2022年）。其他案例，包括2010年的俄罗斯热浪-干旱事件（Zscheischler等人，2018年）、2017年飓风哈维期间的美国复合洪水事件（Hendry等人，2019年）以及2022年的欧洲复合干旱-热浪事件（Tripathy和Mishra，2023年），也造成了巨大影响。随着全球变暖的加速，许多地区很可能会经历更多强度更大、持续时间更长和/或范围更广的复合事件，可能会打破历史记录（IPCC，2023年）。因此，识别复合事件的热点区域并理解其影响因素可以为气候风险适应策略提供信息，并减轻其社会经济影响。

自政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2012年发布《气候极端事件特别报告》以来（IPCC，2012年），关于复合事件的研究迅速扩展，对其定义和分类也在不断改进（IPCC，2023年；Zscheischler等人，2020年；Zscheischler等人，2018年）。Zscheischler等人（2020年）将复合事件分为四种类型：有前提条件的、多变的、时间复合的和空间复合的，尽管这些类型的界限往往较为模糊。在这些复合事件中，多变量类型由于发生频率高和影响严重而受到广泛研究，包括复合洪水（Moftakhari等人，2017年）、干热事件和极端风-降水事件（Ridder等人，2022年；Ridder等人，2022年）。这些研究主要集中在描述一种或几种复合事件（Tripathy和Mishra，2023年）、评估它们的联合概率（Moftakhari等人，2017年）以及识别影响其强度或概率的因素（Li等人，2023年）。然而，在理解不同类型复合事件的地理分布和相对频率方面仍存在关键空白。这一知识空白可能限制了全球灾害减少资源的有效分配，因为复合事件的热点区域和最频繁发生的类型仍不甚明了。此外，研究工作分布不均，某些类型的复合事件，特别是有前提条件和空间复合类型的复合事件，受到的关注相对较少。实际上，2013年至2021年间与复合事件相关的研究中，只有13%集中在这些类型上（Fang等人，2023年；Singh等人，2022年）。这种研究资源的分配不平衡导致对灾害易发区域和气候极端事件全貌的理解较为狭隘，从而阻碍了全面的全球灾害风险评估和管理。

大量研究揭示了复合事件在网格尺度上的空间分布、复发周期和其他特征（Bevacqua等人，2022年；Li等人，2023年）。Ridder等人（2020年）根据观测和再分析数据发现，社会经济重要的地区（如西欧和北美）容易发生复合事件。Jiang等人（2023年）利用三个网格化数据集发现，北半球中高纬度地区经历的复合热浪更为强烈。由于水文气象系统的多尺度特性（Stephens等人，2021年）以及流域在水资源管理、防洪和抗旱中的关键作用（Gao和Zhao，2020年），也有必要在流域尺度上研究复合事件。然而，直接汇总网格尺度结果无法完全捕捉复合事件的流域尺度特征，因为基于网格的研究往往忽略了流域内的水文过程和水分-能量交换（Fang等人，2017年；Matanó等人，2024年）。此外，人类活动，特别是用于缓解干旱和洪水的水利工程项目（Jin，2020年；Zhang，2006年），也会影响整个流域系统的极端事件模式（Cheng等人，2024年）。因此，有必要将研究重点从网格尺度转向流域尺度分析，以准确描述水文气象复合事件。

最近的研究强调了大气环流变异模式在驱动复合事件发生中的重要作用（Ridder等人，2020年；Singh等人，2022年），包括厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）（Hao等人，2018年；Singh等人，2022年）、北极涛动（AO）（Zhanget al.，2022a）和大西洋多年代际涛动（AMO）（Guo等人，2023年；Najibi等人，2023年）。ENSO被认为是复合干旱-热浪事件（Guo等人，2023年；Hao等人，2018年）和空间复合干旱（Singh等人，2022年）的主要驱动因素，并且据报道，在1901-2018年间，约80%的复合干旱事件与ENSO事件同时发生（Singh等人，2021年）。AO也被确定为北亚春季复合干旱-热浪事件（Wang等人，2024年；Wang等人，2024年）和长江-淮河流域复合热浪（Zhanget al.，2022b）的重要驱动因素。此外，其他环流模式也会影响个别极端事件，包括AMO对印度次大陆极端降雨的影响（Joshi和Rai，2014年）以及北大西洋涛动对加勒比维尔京群岛极端降雨的影响（Orange等人，2019年）。然而，ENSO和AO对其他类型复合事件的具体影响仍不甚清楚，关于不同环流模式如何影响复合事件全谱的研究仍然有限。此外，尽管预计这些模式会随着气候变化而演变（Beverley等人，2024年；McGregor等人，2022年；Nguyen–Le，2023年），但在变暖世界中环流模式与复合事件之间的动态关系仍需进一步探索。这一差距突显了在气候变化条件下进一步研究这些模式对复合事件影响的紧迫性。

在这里，我们尽可能全面地进行了首次全球流域尺度的复合事件评估，研究了近年来备受关注的12种复合事件对（补充表S1），并使用比值比框架量化了多种大气环流变异模式的影响。具体来说，我们调查了520个主要全球河流流域中多类型复合事件的热点和时空异质性，并确定了它们的影响因素。选定的12种复合事件对包括七种不同的灾害和一种前提条件（补充表S2）。首先，我们利用1980-2019年的每日观测数据及再分析数据检测了复合事件发生的全球热点区域。接下来，我们研究了它们在六大洲的频率及其区域层面的季节性。最后，通过估算比值比来评估各种大气环流变异模式对复合事件发生的影响。

数据集

收集的数据集包括1980年至2019年的温度、降水、径流、风速、风暴潮和土壤湿度数据（补充表S2）。网格化变量（即温度、降水、风速和土壤湿度；0.5°×0.5°）通过简单平均方法汇总到GRDC定义的520个主要河流流域（更多细节请参见https://mrb.grdc.bafg.de/），这些流域在规模或其水文政治重要性或关注度方面被认为是“主要”的

复合事件热点的全球分布

图1显示了不同复合事件对的复发周期（联合概率的倒数）。复合干旱和热浪事件（D-H）、复合干旱和高温事件（D-T）、空间复合极端降水事件（spat.P）、空间复合极端径流事件（spat.R）以及时间复合极端降水事件（tempor.P）的复发周期比其他复合事件在世界各地的河流流域中更短。

复合事件的时空不均匀性

我们发现与干旱相关的事件在全球范围内频繁发生，而与洪水相关的事件热点主要位于东亚、北美东部、北美西部、地中海和澳大利亚北部，这与以往的研究结果一致（Feng等人，2023年；Li等人，2025年；Sanuy等人，2021年；Wu等人，2021年）。这种空间异质性反映了大尺度大气环流和区域水文气候条件的共同影响

结论

本研究试图调查各种复合事件（CEs）的热点区域，并进一步揭示了它们在520个主要全球河流流域中的影响因素。为此，我们研究了1980-2019年间由七种不同灾害和一种前提条件形成的12种复合事件对。揭示了复合事件的热点区域，并进一步探讨了每个大陆上频繁发生的复合事件的区域和季节性特征。最后，使用比值比确定了这些高频复合事件的主要影响因素

CRediT作者贡献声明

邹磊：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查。于家瑞：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、软件、方法论、调查。王刚胜：撰写——审阅与编辑。王飞宇：撰写——审阅与编辑。佘敦贤：撰写——审阅与编辑。夏军：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了京津冀区域综合环境改善项目、国家重点科技计划（编号2025ZD1201504）、国家自然科学基金（编号42301035、42101043）以及山东省重点水科学技术项目（编号SDSLKJ2024003）的资助。我们特别感谢编辑和匿名审稿人的宝贵意见和建议，这些意见和建议提高了手稿的质量。