《SCIENCE ADVANCES》：Nonlinear increase of compound drought-heatwave events since the early 2000s
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复合干旱-热浪事件（CDHEs）对生态和社会经济系统构成重大风险，但其增长模式和物理驱动机制尚未被充分理解。本研究利用多灾种对生成算法和每日再分析数据，揭示了自21世纪初以来CDHEs的增加主要受热浪领先型事件驱动，其对全球变暖的敏感性增加了近八倍，并发现这种非线性增长与20世纪90年代末以来陆地-大气耦合的持续增强直接相关。这强调了在适应气候变化时，需特别关注热浪领先型CDHEs所伴随的不均衡区域风险。
想象一下，在2021年夏天，加拿大不列颠哥伦比亚省，一股被称为“热穹顶”的致命热浪持续了数日，气温飙升，土壤干涸，导致了农作物产量的显著减少。这并非单一的气象灾害，而是干旱和热浪联手制造的“双重打击”。在科学界，这类灾害被称为复合干旱-热浪事件（Compound drought-heatwave events, CDHEs）。它们是气候变暖背景下的“孪生杀手”，所到之处，不仅会引发严重的生态危机，如澳大利亚毁灭性的“黑色夏季”山火，还会直接影响粮食安全、水资源和公共健康，甚至造成巨大的人员伤亡，例如2010年俄罗斯的复合事件就导致了约5.5万人死亡。尽管大量研究已证实CDHEs在21世纪显著增多，但一个关键的科学谜题仍未解开：这些复合事件内部的先后顺序（是热浪先导，还是干旱先导）对其增长模式有何不同影响？其背后核心的物理驱动机制是什么？厘清这些问题，对于我们更精准地评估和应对未来气候风险至关重要。
近期，一项发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究，利用每日尺度的再分析数据和一套创新的多灾种对生成算法，为我们揭开了CDHEs增长的“非对称”真相。研究揭示，自21世纪初以来全球CDHEs的急剧扩张，主要是由“热浪领先型”事件所驱动，其增长速度远非“干旱领先型”可比。更重要的是，这种爆发式的非线性增长，与20世纪90年代末以来全球陆地-大气耦合强度的持续增强密切相关。这项研究不仅改变了我们对复合灾害演变模式的认识，也为我们敲响了警钟：传统的灾害风险评估策略可能严重低估了“热浪打头阵”的极端事件的未来威胁。
为了回答这些问题，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：1. 利用高分辨率的全球每日再分析数据（ERA5和ERA5-Land），获取了1980年至2023年间长达44年的温度、土壤水分、能量通量等关键气候变量。2. 运用非参数标准化方法（如Gringorten公式）计算标准化土壤水分指数（SSI）和标准化温度指数（STI），以此客观识别干旱和热浪的独立事件。3. 采用多灾种对生成算法（MYRIAD-Hazard Event Sets Algorithm），该算法不仅考虑干旱和热浪在时空上的重叠，还精确判别了灾害发生的先后顺序，从而将CDHEs划分为“热浪领先型”、“干旱领先型”和“同时发生型”。4. 通过计算和去趋势处理，量化了反映土壤水分与地表能量平衡反馈强度的“陆地-大气耦合强度”，并分析了其与CDHEs的关联。5. 运用包括Pettitt检验、二次函数拟合、自举法（Bootstrap）重采样等多种统计方法，来检测突变点、量化非线性响应及评估结果的稳健性。
研究结果
观测到的CDHEs时空模式
研究首先展示了1980-2023年间全球CDHEs的空间分布格局，高发区包括南美北部、美国南部、东欧、中非和南亚等地。尽管两类CDHEs（热浪领先和干旱领先）的空间模式相似，但它们表现出截然不同的增长趋势。比较过去（1980-2001年）和近期（2002-2023年）两个22年时段，热浪领先型CDHEs的全球影响面积增长了约109.8%，而干旱领先型仅增长约59.2%。尽管热浪领先型事件在总CDHEs中占比较小，但其增长速度却快得多。
热浪领先型CDHEs的非线性增长
研究发现，热浪领先型CDHEs的急剧增加与全球平均地表温度（GMST）的上升密切相关，但其敏感性发生了戏剧性变化。在GMST超过约14.3°C（转折点约在2000年）的阈值后，其每摄氏度导致的全球影响面积增长率（斜率）从过去的约1.6%激增至近期的13.1%，增加了近八倍，且这种变化具有统计显著性。相比之下，干旱领先型CDHEs虽然也在增加，但其增长率在近期并未发生显著的统计变化，表现为一种线性增长模式。
热浪领先型CDHEs快速增长的机制
为探究其背后机制，研究分析了陆地-大气耦合强度。结果表明，热浪领先型CDHEs发生区域的耦合强度显著高于干旱领先型区域，且与热浪领先型事件的发生频率呈强相关（斯皮尔曼相关系数ρ≈0.66）。更重要的是，耦合强度的时间演变显示，自20世纪90年代末以来，耦合强度已进入并持续处于一个“新常态”的增强状态。事件尺度的自举法分析进一步证实，在热浪领先型CDHEs发生期间，每日的耦合强度中位数比干旱领先型事件高约27.6%。这表明，持续的、增强的陆地-大气耦合是驱动热浪领先型事件非线性增长的关键物理因素。
非线性响应的不均一区域分布
在区域尺度上，研究分析了41个陆地子区域。大多数地区（34个）对局地温度升温表现出正的非线性加速响应，其中以南美季风区的非线性指数最高。在非线性指数高的地区，热浪领先型CDHEs的快速增加转折点年份多出现在2005年至2007年左右，意味着这些地区已持续经历了近二十年的非线性加速增长。非线性指数与事件空间范围变化呈显著正相关，表明非线性加速本身对事件影响范围的扩大有重要贡献。
区域陆地-大气耦合变化的作用
耦合强度的变化不仅在高发区（如南美、美国南部、中非、东南亚）显著增强了热浪领先型CDHEs的敏感性，还使得一些在过去不敏感的“处女地”（如南美洲东南部、北美东北部、马达加斯加等）在近期也首次出现了正敏感性。这清晰表明，区域耦合强度的增强是驱动热浪领先型事件非线性加速的直接原因。相比之下，干旱领先型CDHEs对耦合强度的敏感性变化则非常有限。
研究结论与讨论
本研究的核心结论是，尽管复合干旱-热浪事件整体在增加，但热浪领先型事件自2000年以来呈现出爆发式的非线性增长，其强度更大、持续时间更短，对生态社会系统的威胁也更为严重。这种增长模式根植于其对陆地-大气耦合的极高敏感性。自20世纪90年代末以来，全球耦合强度进入并维持在一种持续增强的“新常态”，这种机制转变（regime shift）通过增强短期的、事件尺度的反馈，并伴随着事件空间范围的西向扩张，共同驱动了热浪领先型CDHEs的非线性加速。而在区域层面，耦合强度的增强不仅显著放大了高发区的敏感性，还“唤醒”了过去不敏感的地区。相比之下，干旱领先型事件虽然持续增加，但增长速率基本稳定，对耦合强度的响应也相对平稳，显示出一种（亚）线性的增长模式。
为排除“非线性增长仅是全球变暖下热浪自然增多的统计结果”这一质疑，研究者进行了大规模蒙特卡洛模拟合成试验。结果显示，仅由全球变暖驱动的热浪频率增长，其放大因子仅为0.24左右，而观测到的热浪领先型CDHEs的放大因子高达0.70至0.78，近乎前者的三倍。这有力地证明，观测到的非线性加速无法仅用变暖本身解释，而必须归因于20世纪90年代末以来陆地-大气耦合的增强。同时，研究还发现，在热浪领先型事件期间，500百帕位势高度异常显著高于干旱领先型事件，这提示两类事件背后的大气环流异常背景可能也存在差异。
这些发现具有重要的科学意义和现实紧迫性。它们表明，当前基于线性外推或不分先后的复合灾害风险评估与管理策略，可能严重低估了以热浪为先导的复合事件的未来风险。这类事件可能以远超预期的速度和强度出现，引发作物减产、野火频发、公共卫生危机等连锁反应。因此，在制定气候变化适应与减缓策略时，必须将灾害序列的考量纳入复合事件分析框架，并特别关注那些表现出强非线性的高风险区域，以应对未来更具挑战性的“孪生杀手”。
