摘要
Heatwaves represent a significant and growing threat to natural ecosystems and socio-economic structures, making heatwave risk mitigation and prevention an important area of research. In exploring heatwave frequency and intensity from 1901 to 2020, the present study finds a sharp increase in both. The study also finds that the spatial distribution of heatwaves is unequal, the volatility of intensity characteristics has become more prominent over time, and the Gini coefficients of four key heatwave indictors have become larger due to increasing dryness. Although heatwaves occur more frequently in drylands, there is greater cumulative heat in humid areas, resulting in a higher heatwave risk in those areas. The global heatwave risk over the past three decades (1991–2020) has increased nearly five-fold compared to the early 20th century (1901–1930). Furthermore, GeoDetector analysis indicates that the Palmer drought severity index (PDSI) and downward surface shortwave radiation (Srad) contributing the most in drylands and humid areas (0.29 and 0.41, respectively). The contribution of relative humidity (RH), wind speed (WS), soil moisture (SM), and the normalized difference vegetation index (NDVI) is also significant in humid areas, but is much smaller in drylands. Composite analysis shows that the years with anomalously high heatwave risk correspond to positive anomalies of 500hPa geopotential height and surface pressure. The inhibition of cloud formation due to sinking air and the resulting increase in temperature in the atmosphere may be increasing the risk of heatwave occurrence. This study emphasizes the urgent need to address worsening climate change impacts.
热浪对自然生态系统和社会经济结构构成了显著且日益严重的威胁，因此热浪风险的缓解和预防成为一个重要的研究领域。本研究探讨了1901-2020年间热浪的频率和强度，发现两者均显著增加。研究还发现热浪的空间分布不均，强度特征的波动性随着时间的推移变得更加明显，四个关键热浪指标的基尼系数由于干燥程度的增加而变得更大。尽管干旱地区的热浪发生频率更高，但湿润地区的热量累积更大，导致这些地区的热浪风险更高。过去三十年（1991-2020年）的全球热浪风险相比于20世纪早期（1901-1930年）几乎增加了五倍。此外，GeoDetector分析表明，帕尔默干旱严重程度指数（PDSI）和下行短波辐射（Srad）在干旱地区和湿润地区的贡献最大（分别为0.29和0.41）。相对湿度（RH）、风速（WS）、土壤湿度（SM）和归一化差异植被指数（NDVI）在湿润地区的贡献也显著，但在干旱地区则小得多。综合分析显示，热浪风险异常高的年份对应于500hPa位势高度和地面气压的正异常。下沉气流抑制了云的形成，从而导致大气温度的升高，可能增加了热浪发生的风险。本研究强调了应对气候变化影响加剧的紧迫性。
关键点
Heatwaves are more frequent in drylands, but cumulative heat is greater in humid areas（热浪在干旱地区更为频繁，但湿润地区的累积热量更高）
主要图表
图1 (a) 基于干旱指数（AI）的全球干旱区和湿润区分布模式；(b) 一年中热浪发生过程的示意图（红色区域表示特定网格点发生热浪）；(c) 热浪风险的示意图，显示严重性和频率的增加意味着风险的上升。
表1 热浪指标的定义。
图2 (a–d) 1901-2020年四个热浪指标的空间变化趋势（黑点表示通过显著性检验，p < 0.05）；(e–h) 1901-2020年四个热浪指标的多年空间均值分布（左下角的柱状图分别表示极端干旱、干旱、半干旱、干旱亚湿润、干旱区、湿润区和全球区域的平均强度）。
图3 (a–d) 1901-2020年干旱区、湿润区和全球区域四个热浪指标的时间趋势；(e–h) 1901-2020年四个基本全球热浪指标的贝叶斯变点检测结果分布。
图4 1901-2020年四个热浪指标的基尼系数的空间和时间分布。(a–d) 各子区域四个热浪指标的基尼系数密度分布，最右侧的值表示不同子区域的基尼系数均值；(e–f) 四个热浪指标的基尼系数空间分布。（注意，子图的顶部和右侧代表经度和纬度变化，黄色线表示均值变化）。
图5 (a) 1901-2020年热浪风险的月度热力图；(b) 1901-2020年热浪风险的多年空间趋势分布（黑点表示通过显著性检验，p < 0.05）；(c) 1901-2020年热浪风险的多年均值分布；(d) 1901-2020年不同湿润和干旱区域的热浪风险区间均值分布；(e) 1901-2020年不同湿润和干旱区域的热浪发生率区间均值分布，两端表示95%置信区间（热浪发生率 = HWO/365）；(f) 1901-1930年与1991-2020年干旱区、湿润区和全球区域的热浪风险强度比较；(g) 1901-1930年与1991-2020年热浪发生率的干旱区、湿润区和全球区的热浪风险强度比较（顶部表示百分比误差条）。
图6 (a) 帕尔默干旱严重指数（PDSI）、相对湿度（RH）、短波辐射（Srad）、风速（WS）、归一化植被指数（NDVI）、土壤湿度（SM）与热浪风险的Pearson相关系数（*表示通过显著性检验，p < 0.05）；(b–g) PDSI、RH、Srad、WS、NDVI、SM和热浪风险相关系数的空间分布及对应年份的显著性检验（黑点表示通过显著性检验，p < 0.05）。
图7 (a) 全球陆地面积的标准采样被划分为1°× 1°网格，提取了11586个有效的经纬度中心点坐标，用于构建GeoDetector模型；(b–d) 使用GeoDetector计算的地理要素和驱动因素对干旱地区、湿润地区和全球区域平均热浪风险的相对贡献（***表示通过显著性检验，p < 0.01）。
图8 对中亚高热浪风险年份及其大气环流异常的综合分析。(a–b) 确定热浪风险异常高值年和异常低值年。四个子区域为：①中亚（CA），②西北北美（NWA），③东欧（EE），④北大洋洲（NO）；(c–d) 异常高值年和低值年的500 hPa位势高度异常（黑点表示通过显著性检验，p < 0.05）；(e–f) 高低值异常年的地面气压异常（黑点表示通过显著性检验，p < 0.05）；(g–h) 高低值异常年的850 hPa环流异常。
图9 可能导致热浪风险发生和加剧的物理过程示意图。该图基于多个气候因素，结合从机制角度分析的大气环流异常，展示了过去120年热浪风险加剧的气象过程（圆圈中的符号“–”和“+”分别表示负面和正面影响的符号）。
引用方式
Wang, C., Li, Z., Chen, Y., Li, Y., Ouyang, L., Zhu, J., ... & Li, H. (2024). Changes in global heatwave risk and its drivers over one century. Earth's Future, 12(10), e2024EF004430. https://doi.org/10.1029/2024EF004430
