院士团队：巨灾来袭，此轮最强降雨正预警一种极端现实

【导读】7月30日凌晨，北京大部分地区出现强降雨，迎来入汛最强一轮降雨天气。在湖南湘潭县，强降水更是引发了决堤险情。根据中央气象台消息，预计未来三天，云南、广西、重庆、四川、京津冀及东北等地区有暴雨灾害风险，各地已启动防汛抗洪救灾工作部署。放眼全球，近年来自然灾害频发，尤其是与气候变化有关的灾害数量显著增加，这对日常生活和宏观决策都产生了深远的影响。那么，气候变化是如何影响自然灾害的呢？面对这些由气候变化引发的灾害风险，我们又该如何应对呢？

本文指出，气候变化正在使灾害呈现出新的特点和趋势。由于人类活动的影响，全球气候正在以前所未有的速度变暖。地表平均气温、沿海海平面、多年冻土活动层厚度等气候变化指标均创下了历史新高。随之而来的是高温、强降水等极端天气事件的频率和强度都在增加，这使得灾害的发生也呈现出新的趋势。

对此，本文进一步分析了自然灾害在多个方面的新变化规律，包括强度、频率、持续时间、触发时间和位置、规模及影响范围等。研究发现，全球和区域性气候系统正在发生剧烈变化，巨灾变得更加频繁，不同灾害之间的相互作用也在加强，灾害的复合风险和级联风险显著增加。尽管全球气候变化相关灾害效应的研究取得了一些进展，但仍存在不少局限性。

本文原载《科学通报》2024年第2期，原题目《气候变化的灾害效应与科学挑战》。受篇幅所限，仅节选部分内容，注释从略。仅代表作者观点，供读者参考。

气候变化的灾害效应与科学挑战

气候变化在地球系统各个圈层，包括大气圈、岩石圈、水圈、生物圈和冰冻圈，均有迹可循；各圈层的相互作用共同影响着气候系统的变化（图1）。自然灾害是地球系统各圈层相互作用最剧烈的一种表现，对人类社会有着深远的影响。在外营力气候变化驱动下多圈层相互作用加强，所引发的地球表生灾变过程表现出多介质多过程复合叠加、多灾种衍生链生的特点，灾害风险与破坏程度愈加显著。

图1：气候变化下五大圈层相互作用和灾害效应

在内动力地震与外营力强降雨的共同作用下，2022年9月上旬，四川省甘孜州泸定县遭遇地震与震后山洪泥石流，造成近百人遇难。气候变暖与异常天气共同作用于陡峭且易断裂的地形和地质条件下，导致2021年2月7日发生了印度杰莫利地区的高位冰-岩崩塌事件，引发了大规模泥石流，致使下游两处水电站遭到破坏，至少150人遇难。全球变暖加剧了气候系统的不稳定性，2021年7月中旬，台风“烟花”和异常西太平洋副热带高压的共同影响，以及太行山地形对水汽的阻挡作用，造成郑州“7·20”特大暴雨灾害，并引起城市内涝、山洪、滑坡等次生灾害，导致1478.6万人受灾，因灾死亡失踪398人。

近年来，不同类型巨灾频发，与气候变化相关自然灾害的数量激增是造成灾害总数上升的主要原因，严重威胁了人民的生命财产和居住环境安全。气候变化导致灾害出现新特点与新趋势。人类活动致使全球气候以前所未有的速度变暖，地表平均气温、沿海海平面、多年冻土活动层厚度等多项气候变化指标打破了历史观测纪录，高温、强降水等极端天气气候事件的频率与强度均在增高，气候变化导致灾害也呈现出新特点与新趋势。

气候变化对灾害的影响主要反映在5个方面。（1）强度：如每年1%的沿海风暴增加会导致年最高温度和洪水水位显著上升；（2）频率：强降雪、龙卷风、洪水等灾害的发生次数明显增加；（3）持续时间：高温日数增加、连续干旱时间延长、热带气旋驻足时间延长等；（4）触发时间：春季霜冻提前，季节性降雨延迟、融雪洪水提前等；（5）规模或影响范围：海洋热浪和热带气旋规模扩大，暴雨洪涝影响范围扩张等。

再者，全球和区域性气候系统发生剧烈变化，巨灾更加频繁，不同灾害间的相互作用加强，灾害复合风险和级联风险显著增加。例如，2010年5月，热带风暴阿加莎侵袭危地马拉，造成该地区大范围强降雨，雨水下渗并溶解地下岩层，造成大范围沉洞坍塌；同期，帕卡亚火山爆发，火山灰和碎片覆盖了危地马拉大部分地区，阻塞了排水管道，增加了热带风暴期间的洪水强度，同时形成大范围火山泥流，导致多人遇难。此类复合灾害突发性强，规律不清，触发因子不明，难以有效预测。

近年来，气候变化灾害效应研究取得了新进展，但仍存在很大局限性。气候变化的灾害效应一直是学术界非常关注的科学问题，相关研究可以追溯到20世纪90年代初，研究主要聚焦于识别气候变化对灾害的影响。近年来，该方向侧重于开发预测模型和风险管理策略，以便更好地准备和应对气候变化条件下自然灾害的新变化，提出更好的适应性措施，减少灾害风险。

但目前对气候变化的灾害效应认识依然有很多不足，跨圈层多因子耦合作用下，极端天气、强震、人类活动等巨型灾害及复合链生灾害的形成、演化与防治研究仍是防灾减灾学科的前沿；对内外动力耦合驱动下的台风、海啸、山洪泥石流、冰湖溃决与滑坡等自然灾害的物理机制和过程认识不明，难以定量分析气候变化的灾害效应、减少复杂因素作用下灾害风险预测的不确定性。

这些防灾减灾研究的不足，严重制约了自然灾害风险理论和风险防控技术的发展。因此，亟须系统地认识气候变化对自然灾害的影响机理、自然灾害对气候变化的响应特点，实现气候变化下自然灾害高精度预测与有效应对，减少自然灾害损失，保护人民的生命和财产安全，帮助社会规划气候变化适应性措施，减少气候变化下灾害对社会发展的不利影响。

▍近年来气候变化对自然灾害的影响

（一）气候变化的致灾特点

近年来全球显著升温的异常态势，超出了过去数百年、数千年的气候系统自然变率。相较1850~1900年，2001~2020年的平均表面温度升高0.99°C；其中陆面增温1.47°C，海面温度升高0.79°C。冰川消融加剧，相对1979~1988年，2010~2019年北极海冰面积9月（3月）减小了40%（10%）左右。高山区雪线上移，冻土退化严重。2002~2014年间全球平均海平面上升2.74±0.58mm/a，其中海温升高造成的热膨胀贡献为1.38±0.16mm/a；冰盖和冰川的贡献约为1.37±0.09mm/a。20世纪下半叶，海温变化造成北半球的大部分热带风暴路径发生了极向移动，强度有所增加，但频率有所下降；风暴潮高度变化，极端海平面聚集升高，海岸洪水风险增加30%以上。

此外，变暖导致气候波动性变大，造成水循环加速，水的再分配过程偏向极端化，干（湿）季更干（湿），时空差异均有增加的趋势，极端降雨频次与降雨强度均明显增加，多地出现新的天气与气候特征。有记录以来，极端干旱的非洲撒哈拉沙漠区域鲜有降雪事件，而2016年以来却发生多次强降雪过程。其中，2018年降雪量超过40mm；2021年底遭遇极端天气，不仅观测到了降雪，部分地区还遭遇了强降雨，甚至是冰雹天气。在目前全球平均增暖~1.1°C的现状下，十年一遇的极端高温事件频率将增加2.8倍，强度增加1.2°C；十年一遇极端降水事件频率增加1.3倍，强度增加6.7%；十年一遇干旱事件（如农业干旱、生态干旱等）频率增加1.7倍，干旱指数增加0.3。研究表明，在更温暖和湿润的条件下，风化破裂会加速。任何与风化有关的系统，如地球的碳循环、表面侵蚀或生物过程，在更温暖和更湿润的气候下都存在加速岩石破裂过程的影响，有利于增加高山区山地灾害物源条件。

同时，控制大气波动的环流背景场也发生明显变化，其中自20世纪80年代以来，北半球哈得来环流延伸，会使沃克环流位置和强度均有很大变化，并进一步导致极端厄尔尼诺厄尔尼诺事件加强。而已有研究指出，极端厄尔尼诺事件会引起包括中国在内多数区域的暴雨、洪涝等自然灾害的发生。也有研究发现，气候变暖使北大西洋经向环流减弱，北大西洋瞬变波的强迫作用减弱，中高纬西风加速减弱，最终导致青藏高原等地区的极端降水事件增加。21世纪，东亚季风与南亚季风等季风系统可能有显著增强的趋势，而季风增强与西风减弱的协同作用有助于高亚洲山区局部强降水成。总之，气候变暖使得地球系统各圈层环境向易于成灾的趋势演化，自然灾害风险显著增加。

（二）气候变化背景下自然灾害活动特征

尽管不同自然灾害的形成条件和主要驱动力具有明显差异，但总体可分为3种类型：热力主导、重力主导以及水力主导。受高温或高热力梯度驱动的高温热浪、热带气旋、龙卷风、火灾等是常见的热力主导型灾害。重力主导型灾害多为地势落差较大的山地灾害，如崩塌、雪崩、滑坡、泥石流等；由海底运动造成的海啸也属于重力型灾害。干旱、区域洪水、海平面升高等灾害主要由于水力条件变化引起的。而在圈层相互作用下，部分灾种受多种作用力共同驱动，如山洪形成时，重力和水力都是必要条件。此外，不同自然灾害活动具有显著的时空尺度差异（图2），其中重力主导型以小尺度、短时灾害为主，但是暴发突然、破坏力强；水力主导型灾害时空跨度相对较大，影响范围广。气候快速变暖造成大多数灾害的孕灾时间缩短，灾害活动特征发生明显变化。

图2：自然灾害的主要类型与其时空尺度特征

升温导致全球高温热浪事件频发，白天和夜间复合高温热浪事件的影响显著上升。2020年，Wang等人指出，1960~2012年，北半球夏季复合热浪事件频率和强度均显著增长，分别为~1.03d/10a和~0.28°C/10a。同时，风暴潮、台风等极端海洋气候事件发生频率增多，强度加大。1982年以来，全球范围内海洋热浪的发生频率增加了1倍，且范围更广，持续时间更长；近30年占全球70%的弱台风无论在全球尺度还是海盆尺度上也出现明显的增强趋势。在沿海居民优先居住的低海拔平坦区，海平面上升速度将比全球平均速度快4倍，复合型洪水风险明显上升。

同时，水循环的加速也加剧了全球旱涝时空分布的极端化，使得雨季的降水变得更多，旱季的干旱会更为严重；同时，旱涝/涝旱急转事件的历时、烈度和强度呈增加趋势。区域旱涝灾害时空分布甚至出现新态势。美国西部的水资源高度依赖融雪径流，但该地区春季雪旱灾害的概率从1985年的20%上升到2016年的40%。中国西北干旱半干旱区，在极端降水增加与融雪径流加剧的双重作用下，近年来洪水灾害频发，例如2002年塔克拉玛干沙漠洪灾、2012年吐鲁番洪灾、2017年塔里木河等区域屡次发生沙漠洪水灾害，2021年7月中旬，塔克拉玛干沙漠北缘受洪水袭击，淹没面积达300多平方公里，影响严重。而2022年长江流域出现旱涝并存的局面：汛期长江上游降水偏多，区域性洪涝频发；而中下游降水偏少，旱情严重。旱涝新特征主控因子不明，显著增加了相关灾害预测难度。

海拔依赖性增温的高山区以及热岛效应显著的城市区对气候变暖的响应均存在明显的放大效应。其中，冰冻圈的退化改变了高山区水文地质条件和地表孕灾环境，加剧了以重力主导的山地灾害的频率、规模和复杂性；灾害活动总体空间特征具有高强度与高频性、突发性、季节性、群发性、周期性等特征。而城市的三维几何结构不利于热量散发，以及人为热量的释放，使得城市高温日数增加、热浪频次增加；热岛效应对一些超大城市的升温贡献更为显著，其中城市化对中国东部城市高温热浪的贡献可以达到30%~50%。城市热岛效应导致大气更不稳定、垂直上升和水汽辐合运动加强，导致在过去30年来，城市短历时极端强降水增加35%，增幅比周边郊区高3倍以上。城市下垫面硬化造成渗透能力减弱，径流增强，城市洪水风险增大。城市化不仅使洪水峰值明显升高，也缩短了洪水事件中洪峰出现的时间；同时，城市化也使山洪影响范围与洪泛区面积明显扩张。

▍自然灾害风险演化未来发展趋势

（一）孕灾环境未来趋势与影响估计

若不执行大规模温室气体减排措施，预计增暖将在全球和区域范围内快速加剧，同时引起热力、水力、重力（地貌改变造成的局地位能变化）等孕灾条件的变化。有研究指出，在当前排放延续情景下，2100年北半球夏季复合高温热浪事件频率预计将比2012年增加8倍，强度也将是现在的3倍以上。自2000年起，北半球高山区，如落基山脉和青藏高原的最大雪水当量预计21世纪末减少量将是历史基准线的4倍。21世纪末，积雪覆盖减少，预计将使其周边区域的雪旱灾害频率增加2倍以上；全球陆地上的年降水量在SSP1-1.9。低排放情景下预计将增加2.4%，而在SSP5-8.5高排放情景下为8.3%（0.9%~12.9%），欧洲和北美洲等部分区域强热带风暴的强度预计将是目前的3倍以上。2015年，Winsemius等人指出，21世纪末洪水灾害风险预计将增加20倍，尤其是在东南亚和非洲地区。未来海洋和大部分陆地区域的蒸发量均将增加；蒸发量的增加将使地中海、北美西南部、非洲南部、南美西南部和澳大利亚西南部的土壤水分减少，干旱风险增加。预计到21世纪末，干旱区将扩张至全球陆地面积的50%~56%。

再者，变暖促使气候系统中的多个要素加速接近突变点，将造成巨大的灾害风险：全球增温1.5~3°C时，格陵兰冰盖融化消失，会造成海平面温度升高2~7m；平均增温3~5°C时，西南极冰盖消融，将造成海平面上升5m。这些均可能导致沿海海洋与城市巨灾发生，直接威胁沿海地带人居环境。全球增温3.5~5°C时，亚马逊热带雨林大范围毁灭，直接导致大范围生态损失灾害。升温4~6°C时，北部冻土快速消融，会释放CH4和CO2等温室气体，进一步加剧气候变化的幅度。此外，印度地区局地升温达到0.5°C时，就会引起印度季风快速突变减弱，造成区域降水减少，特大干旱灾害的频率与幅度增加。因此，掌握气候变化规律、合理节能减排，是有效应对气候变化灾害风险的前提。

（二）暴露度和脆弱性的变化增加多数区域灾害未来风险概率

气候变化直接导致致灾因子危险性不断增加，并且全球化带来的人口增长、城市化、土地利用变化等社会因素也逐步影响灾害风险的暴露度、脆弱性和危害。随着全球人口不断增长和城市化进程的加速，越来越多的人口将生活在自然灾害易发区域。这意味着即使灾害的概率没有增加，由于人口密度和城市化程度的增加，灾害带来的损失也将更加严重。此情景下易受影响的地区包括人口稠密的城市和近海沿线的城市等。而气候变暖放大效应显著的高寒山区，冰川与雪盖面积减少、水利工程扩张、旅游业快速发展等变化导致山区灾害暴露度和脆弱性均有明显上升。

此外，随着人类活动的不断扩张，土地利用方式也发生了变化，包括林地开垦、耕地扩张、水资源过度开发等。这些变化可能会导致生态系统的破坏和自然灾害的加剧。例如，森林开垦和过度采伐会导致土地侵蚀和滑坡，耕地扩张和水资源过度开发可能导致干旱和水灾等。此情景下易受影响的地区包括经济发展较快、土地利用变化明显的地区。

值得注意的是，未来灾害风险变化的程度和趋势也具有显著区域性差异。有研究指出，气候波动造成的社会脆弱性增大在发展中国家表现比较突出，尤其在孟加拉国、印度尼西亚和非洲等国家。此外，随着气候变化导致海平面上升，风暴潮和海啸等灾害风险增加，沿海城市和岛屿等低洼区域的灾害风险更大；高温与干旱共同影响下，未来森林火灾风险增加，其中在北美洲和欧洲等区域的风险较高；而冰冻圈融化消融造成的山体滑坡、冰岩崩、雪崩等的灾害风险在高山区更为突出。由于自然灾害风险受多因素的影响，风险等级取决于未来温升水平、脆弱性、暴露度、社会经济发展水平和适应措施，针对未来灾害风险的定量化预估存在很大不确定性，应对气候变化的灾害风险仍具有极大的挑战。

▍应对气候变化灾害风险的科学挑战

气候变化本身的复杂性，与其造成的自然灾害新特征、新趋势以及复合与链生灾害风险的升高，使自然灾害预测预警和风险预估的难度极大，为全球应对气候变化灾害风险带来新的科学挑战，如图3和表1所示，主要包括以下几方面内容。

图3：多圈层作用下气候变化的灾害效应与应对其风险的科学挑战

表1：应对气候变化灾害风险的科学挑战及其关键因素与核心应对方案

（一）气候变化驱动的圈层相互作用和内外动力耦合致灾机制

固体地球内部运动（内动力作用）导致的物质交换和能量传输，可以改变地表温度，并将地球内部的碳、氮等物质带至海洋圈和大气圈中，对气候系统起到一定的调节作用。而全球变暖导致水循环和碳循环等过程加速，各圈层相互作用加强，在内外动力共同作用下，小规模、大影响的极端事件与其复合事件增多。因此，在圈层相互作用下，揭示内外动力耦合孕灾、成灾、致灾机理是预测防范重大灾害风险的基础和亟待解决的前沿科学问题。内、外动力均具有长期累积与瞬时强扰动的时间耦合特征，而两者的空间耦合更是加速了地质体稳定性演变。但目前对构造作用-地形急变-气候变化综合作用下孕灾环境的演化及其对地表灾害驱动的定量关系仍认识不清，对宏观（区域）、中观（坡体）和微观（岩土体）多尺度融通的难题仍有待破解。

（二）跨时空尺度灾害发育规律

气候变化促使孕灾环境易于成灾，自然灾害发育特征的时空尺度变化增大，部分自然灾害的孕灾机制与形成规律发生改变。然而，由于气象的高度变异性、物理上的不可接近性以及地球圈层之间复杂的相互作用，叠加多尺度气候系统扰动，触发灾害的关键参数及其阈值难以确定，定量关系不明确，限制了对自然灾害形成与演化的认识及预报。此外，在气候变化-自然灾害研究中，气候变量降尺度到灾害时空尺度的过程中存在诸多不确定性，不仅局地短临灾害性天气事件预报困难，而且目前空间大尺度长期气候预测精度仍满足不了自然灾害演化研究和应用的需求。不同致灾因子时空关联度与规律不清，进一步影响不同灾害在时间上的群聚和空间上的群发机制与特征。因此，打通不同尺度空间关隘和时间隧道，揭示复杂下垫面陆-气耦合系统变化规律及其灾害效应，深化认识跨时空尺度灾害发育规律，也是未来关键科学挑战之一。

（三）极端事件信息感知与数据驱动的风险判识

极端灾害事件是一类特殊的非常规突发事件，其态势演化是应急救灾的首要问题。从概率的角度来讲，极端灾害事件属于小概率事件，但其造成的破坏和损失往往非常严重。其中，“黑天鹅”事件样本量少，影响因子不明，关键信息无法感知；“灰犀牛”事件缺乏完善信息统计，量变到质变的转换机制和突变因子难以确定。由于极端灾害事件信息高度缺失、时滞和失真，确定极端灾害目前处于什么状态、未来将如何演化等问题是制约极端灾害事件风险预测的关键科学问题。极端灾害风险事件预测问题应以极端灾害威胁的承灾体功能属性作为研究目标，深入分析极端灾害事件的形成、演化及致灾机制。并在此基础上，采用贝叶斯极值理论进行建模，定量刻画极端灾害风险事件与特征因素的关联关系，以实现时域上潜在极端灾害风险事件预测以及空间上同类型极端灾害风险事件预测的目的。

（四）灾害动力学与风险演化规律

主导气候变化的物理系统是一类高度非线性的动力系统，其在外力的微扰作用下常演化出难以控制的混沌效应。从宏观角度看，气候系统的混沌效应表现出极强的内禀随机特性，从而使得由气候变化诱导的灾害风险预测具有明显的不确定性。并且人类对气候系统的外在随机干扰越大，人类所面临的灾害风险就越高，灾害风险预测的不确定性更加突出。目前，灾害动力学系统主要以确定论为指导进行构建，并已取得了很大的进步。但是复杂多项介质多场耦合灾害的多物理过程解耦难度大，同时其多界面特征阻碍灾害运动和结构信息的获取，导致以确定论构建起来的灾害动力学理论难以考虑多项-多场-多介质耦合作用下灾害形成、演化及致灾过程中的不确定因素。因此如何定量描述灾害风险的随机成分和预测的不确定性仍然是灾害动力学发展的一个科学瓶颈。

（五）灾害风险管理与韧性社会构建

灾害风险系统是复杂的，孕灾、致灾和成灾要素相互联系、相互依赖并相互影响。全球化使得气候变化驱使下的灾害风险通过社会、经济和环境系统传播和扩散，风险形势正在快速变化，带来越来越大的影响。

通过灾害风险管理，降低气候变化灾害风险影响，是未来灾害风险科学的主要目标。而社会经济差异增大了气候变化灾害风险的复杂性。世界气象组织（WMO）指出，1970~2021年间，全世界由于极端天气、气候导致的死亡人口中，90%以上在发展中国家。所以在考虑社会经济作用的灾害风险管理体系时应当关注公正性和包容性，与发达国家相比，发展中国家更注重绿色转型的成本效益。

从灾害风险管理的“预防-预备-响应-恢复”4个维度来看，制定适合区域特点的灾害可接受风险水平标准是目前灾害风险管理预防和预备阶段的首要挑战。这主要体现在风险评估方法的不确定性、区域特征的差异性、经济利益和社会参与以及人文因素的影响。而灾害风险管理的响应与恢复阶段，则需要重点关注建立和有效提升社会的灾害韧性，构建一个能适应气候变化的韧性社会。韧性社会具有承受灾害事件的打击并从中恢复的能力。韧性为包括气候变化在内的政策制定和管理提供了一个非常实用的框架并以发展为风险管理的一个重要理念。IPCCAR6中提出的气候韧性发展框架就是对灾害风险管理和气候韧性社会建设的探索。

综上所述，本文首先通过对气候变化的致灾特点与自然灾害活动特征等的归纳总结，量化不同种类灾害的活动变化趋势；其次，通过主要驱动力的差异来划分灾害类型，分类介绍灾害对气候变化的响应机制，并强调了同类型灾害在不同区域的空间差异；再者，主要围绕自然灾害的自然属性介绍灾害风险演化趋势与影响；最后，围绕气候变化的灾害效应，提出五大科学挑战。本文提倡以提高自然灾害预测预警的准确性和有效性、降低气候变化灾害风险为目标，加强新理论、新方法、新技术的研发，包括清洁能源和绿色减灾技术等的创新，减缓气候系统的扰动，并通过调整社会系统、经济系统和生态系统等来适应气候变化。建议通过综合、多样化的方法解决不同挑战中的关键问题，有效应对气候变化带来的灾害风险。