Urban extreme heat risk in China, 2000–2024: identification with historical city-specific thresholds and trend analysis

技术摘要：2000–2024年中国城市极端高温风险

问题陈述
在全球变暖的背景下，极端高温事件日益频繁，对城市系统、公共健康和社会韧性构成了重大风险。尽管以往的研究已广泛记录了热浪频率和强度的变化，但在长期、城市尺度的风险评估方面仍存在方法论上的局限性。现有方法通常依赖于相对阈值（例如 ETCCDI 指数），这些方法根据局部季节性分布来定义极端情况。虽然这些方法在检测异常值方面有效，但可能会识别出非暖季的异常高温日，从而削弱了在长期城市背景下对“极端高温”的实际解释力。相反，绝对阈值（如固定的 35°C）则缺乏对局部气候背景的敏感性。此外，许多研究依赖于原始事件计数，这可能因忽略了观测暴露度及事件发生的概率结构，而无法捕捉到风险的真实演变过程。因此，亟需一种既能保证长期比较的时间一致性，又能对城市特定历史条件保持敏感性的框架。

研究方法
本研究分析了 2000–2024 年间中国 370 个城市的逐日温度数据，并利用 1973–1999 年作为构建阈值的基准期。研究采用了一种创新的城市特定固定阈值法：

1. 阈值定义： 为每个城市计算 1973–1999 年基准期内全年逐日最高气温分布的第 95 百分位数。该单一数值（$TX95_i$）作为整个研究期间的固定阈值。若每日最高气温超过该城市特定的阈值，则被归类为极端高温日。
2. 风险指标构建： 为解决简单事件计数的局限性，研究构建了年度发生风险率（$R_{i,t}$），定义为给定年份内极端高温天数（$N95_{i,t}$）与观测总天数（$ObsDays_{i,t}$）的比率。
3. 趋势估计： 推导出一个经过对数转换的风险强度度量（$Z_{i,t}$），以促进趋势分析。使用 Theil-Sen 中位数斜率估计量进行长期趋势估计，该方法对异常值和非正态数据具有鲁棒性。使用 Hamed–Rao 修改后的 Mann-Kendall 检验来评估统计显著性，以消除序列自相关性的影响。
4. 验证： 研究将这些发现与相对阈值法进行了对比，并通过改变指标设定（使用原始计数）、对数转换中的平滑参数以及样本完整性标准进行了稳健性检验。

主要贡献

• 方法论创新： 本研究开发了一个城市特定固定阈值框架，确保了长期城市比较中的时间一致性。通过引入考虑观测暴露度的发生风险率，实现了从原始事件计数向更深层次的跨越。
• 实证证据： 系统地评估了 2000 年至 2024 年这 25 年间 370 个中国城市极端高温风险的时空演变。
• 政策相关性： 该框架将长期风险趋势识别与城市气候治理需求相结合，为差异化适应规划提供了定量依据。

结果

• 时间演变： 全国年度平均风险率在 2000 年至 2024 年间呈现波动上升趋势，并在 2020 年后明显加速。2024 年的风险率约为 2000 年的 2.4 倍。虽然 2000–2019 年间表现为适度波动，但 2020 年后的时期显示出风险的持续加剧。
• 城市层面趋势： 370 个城市中有 94.05% 显示出正向的十年风险增长。在具有统计显著性的城市（占总数的 63.78%）中，99.6% 的城市经历了风险上升。十年风险增长率范围从 -39.33% 到 175.42% 不等，凸显了显著的异质性。
• 空间异质性： 风险增长在华中东部和西南地区最为显著且具有空间连续性，特别是长江流域、东部沿海和四川盆地。东北和西北地区显示出较低但仍以正增长为主的速率。
• 方法对比： 固定阈值法识别出的事件高度集中在暖季（6–8 月约占事件总数的 85%），而相对阈值法产生的事件识别具有更均匀的季节分布，并且通常给出更高的风险增长估算值，尽管两种方法在趋势方向的判断上表现出高度一致性。
• 稳健性： 主要结论在不同的替代指标设定（原始计数 vs. 对数风险强度）、不同的平滑参数以及更严格的样本完整性标准（仅保留有效天数 >95% 的年份）下保持稳定。

意义
本研究建立了一个具有时间一致性和实际可解释性的城市极端高温风险监测框架。通过证明风险在绝大多数中国城市都在增加，但存在显著的空间差异，研究结果表明适应策略不能一刀切。该研究支持从回顾性事件计数转向长期风险累积的监测。它提供了定量指标，有助于识别新兴风险区域（特别是那些传统上不被视为热点地区的区域），并为前瞻性的城市规划、基础设施建设和公共服务体系提供决策支持。作者指出，虽然本研究侧重于气象热频率，但未来的研究应整合湿度、事件持续时间和人口暴露度，以全面刻画人类热压力。