考虑湿度和温度的协同效应下热浪将随全球气候变暖变得更强更频繁
发布时间: 2020-10-09


热浪对人们的生活、生产以及生态环境都会产生严重危害。它会引起中暑和增加心血管疾病的发病率,从而严重危害人们的身体健康,增加死亡率。同时,热浪还会使人们缩短户外劳动时间、增加水电供应的压力、破坏生态平衡、引发森林野火、农作物减产等,因而受到社会各界的广泛关注。近几十年来,随着全球平均气温的不断升高,高温热浪的发生频率、强度和持续时间均有上升趋势。据国家气候中心统计数据显示,今年夏季全国平均高温日较往年同期偏多2.3天。全国共166个气象站观测到极端高温事件,其中35个站点监测到打破历史极值的日最高气温。另外,较高湿度也是热浪危害人体健康的另一个重要因素。较高的湿度环境会抑制人们通过排汗来调控体温,从而使核心体温过热,增加中暑风险。因此在同等气温的条件下,高湿的环境比干燥的环境更加会让人觉得炎热。

我系袁嘉灿老师及合作者研究了在湿度和温度的协同效应下高温高湿热浪随全球气候变暖的演变情况。研究基于Quantile Regression统计学方法,建立相对湿度基于日最高气温演变的条件分布概率模型,并通过该模型研究相对湿度基于温度的条件概率分布随全球气候变暖的演变过程。研究发现全球变暖会增加大气的能量上限,从而在更暖的背景气候下相同日最高气温对应的相对湿度分布可以达到更高的范围。因此全球变暖下,排除温度的因素,相对湿度的条件分布变化即可使热浪更强更频繁。该研究还指出用湿度和温度共同衡量的热浪强度随全球气候变暖的增加要快于只用温度来衡量的热浪强度(图1)。因此定量研究热浪时考虑高温高湿的协同效应非常重要。

同时,研究团队还改进了综合湿度和温度的协同效应来衡量高温高湿热浪的算法,并将该算法运用到Community Earth System Model Large Ensemble(CESM LE)的模式集合模拟数据中,用于预测未来不同全球增温程度下高温高湿热浪的时空分布。研究指出高温高湿热浪的变化与全球平均地表气温的变化有着显著的线性关系。随着全球气候变暖,高温高湿热浪会变得更强更频繁且会影响更大区域和更多人口。例如,在湿球黑球温度达到33°C的环境中,人们只有保持休息不动才能避免中暑。当前全球平均地表气温已经较工业革命前升高1°C,从而使每年暴露在极端危险的热浪环境下的人口数量增加三倍达到2.75亿。如果全球温度继续增加,在保持世界人口分布不变的情况下,当增温到1.5°C,暴露在危险热浪环境下的人口将增加到5.08亿;增温到2.0°C时将为7.89亿;而增温到3.0°C时将为12.2亿人口(2)。因此,如果国际社会按照《巴黎协定》通过积极有效的减排措施,携手将本世纪内全球升温控制在2°C以内,将有效扼制极端危险的热浪在全球蔓延。


以上研究于2020年分别发表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres (https://doi.org/10.1029/2019JD032100) Environmental Research Letters (https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab7d04) 上:

 J. Yuan*, M. I. Stein, and R. E. Kopp (2020): The evolving distribution of relative humidity conditional upon daily maximum temperature in a warming climate. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 125 (19).https://doi.org/10.1029/2019JD032100

 D. Li*, J. Yuan*, and R. E. Kopp (2020). Escalating global exposure to compound heat-humidity extremes with warming. Environmental Research Letters, 15. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab7d04


图1.以纽约市7月份为例,用Quantile Regression统计学模型模拟的相对湿度基于日最大气温(Tmax)的条件概率分别在历史时期(1990-2005)、本世纪前页(2026-2035)和本世纪后页(2071-2080)的分布情况。左图上部分为相对湿度基于Tmax的条件概率分布中0.50.95分位数在三个不同时期的分布。左图下部分为Tmax在三个不同时期的概率密度分布。右图为基于同一模型模拟的热指数(Heat Index)基于Tmax在三个不同时期的条件概率分布。其中阴影和实线分别代表相应时期的0.05-0.95分位数分布范围和中位数。水平虚线标示出对应热浪警示级别的热指数值。


2.随着全球平均地表气温的增加(△GSAT)全球人口暴露在三种不同强度的热浪环境下的分布状况(彩色阴影单位:人)。其中湿球黑球温度(WBGT)达到31的状况为1995年导致超过900人死亡的芝加哥热浪的最大WBGT值;WBGT达到33则人类只有在休息的状态才能通过自身调节避免中暑35则人类无法通过自身调节使得提问维持正常值为当前观测到的WBGT全球极高值