题目：Quantifying the decrease in heat exposure through adaptation and mitigation in twenty-first-century US cities
期刊：Nature Cities
01 研究背景
在城市化进程下，世界上有一半以上的人口居住在城市中，全球变暖引起的极端高温会对城市居民健康和社会经济发展造成重大的影响。近年来，全球各地的城市都经历了前所未有的极端高温天气。目前已有大量有关气候变化对城市影响的研究，但大多只是单方面评估应对极端高温的适应措施（通过本地基础设施的降温策略，如采用凉爽的屋顶材料、增加植被和行道树等）或减缓措施（减少全球温室气体排放等），而很少有研究将两者结合起来进行综合评估。
基于此，Georgescu（2023）等人通过量化本世纪末美国城市极端热暴露变化，评估了适应和减缓措施对极端高温事件的影响，解析了不同排放情景下这些措施在减少热暴露中的潜在作用，为未来城市气候适应与减缓政策的制定提供科学依据。研究结合十年尺度的区域气候预测模型、城市扩张、温室气体排放和人口迁移预测，分别研究了在独立和联合实施适应与减缓措施时，美国城市人口在世纪末的热暴露程度变化。
02 研究数据和方法
2.1 WRF模拟
本研究使用十年的天气研究与预报模型（WRF，Weather Research and Forecasting）模拟计算与适应和减缓措施相关联的美国大陆主要城市在2090-2099年末相对于世纪初（2000-2009年）导致的人口暴露减少。在WRF模拟中，使用环境保护局的综合气候和土地利用情景（ICLUS，1.3.2版本），该情景代表了世纪初和世纪末美国大陆（CONUS）城市的分层情况，且包含住房密度变化的情景，用于计算到本世纪末美国的不透水面积覆盖。使用2090年A2 ICLUS情景用来代表世纪末的城市扩张和密集化，而ICLUS 2010则用来表示当代城市类别。
通过使用ERA中期再分析数据，进行2000-2009年的气候模拟，并与多个观测数据进行对比，确保了模拟的准确性。控制模拟显示出与实测数据的一致性，进而支持研究适应和减缓策略在减少21世纪美国城市热暴露中的作用。
2.2 动态降尺度处理
使用WRF模型对社区地球系统模型（CESM）耦合模式比较计划第5阶段（CMIP5）集合的偏差校正全球气候模型（GCM）输出进行动态降尺度以研究世纪末气候。其中RCP 8.5情景预示化石燃料使用的持续增加，而RCP 4.5则代表显著减少。同时，研究还利用地球物理流体动力学实验室（GFDL）地球系统模型进行模拟，探索热暴露影响的区域和昼夜变化对全球气候预测的敏感性。
2.3 评估与基于基础设施的城市改造相关的缓解热暴露策略
探讨了一种全面的适应策略，旨在通过生物物理改造来减轻城市热暴露。该策略包括三项主要措施：1、部署高反射率的凉屋顶，最大光谱综合反射率可达到0.88；2、引入绿色屋顶，前提是水资源不受限制，以增强屋顶的蒸发能力；3、在不同类型的城市街道上种植街树，目标是实现平均城市峡谷叶面积指数为2.0 m²/m²，树高范围在2.5 m至7.5 m之间。通过这些改造措施，评估了基础设施改造对城市环境的最大潜在影响。
2.4 城市地区的极端高温定义与评估方法
研究通过定义每个城市特定的百分位温度来识别极端高温。尽管模型的水平网格间距为20公里，但通过推导子网格城市空气温度，评估了不受周边乡村影响的局部气候条件，从而确保城市温度与建筑环境之间形成直接对应关系。此外，基于预计的世纪末人口增长计算每个城市的人-小时数。
03 主要发现
3.1 热暴露预估的可变性
根据美国国家气候评估中心（NCA）的结果显示（图1），本世纪末美国东北地区的城市人口热暴露的绝对增幅最大。除西北NCA地区的城市变化较小以外，其他NCA地区的人口暴露度都大幅增加，且这一结果在白天和夜间都极为明显，突出了大陆性在描述影响的空间异质性方面的重要性。另外，CESM模型比GFDL模型变化程度更显著，前者在最大热阈值变化程度最大，而后者在最小热阈值变化程度最大。
图1 在RCP 8.5情景下，美国大陆21世纪年均人口热暴露的绝对增长量示意图。（a-d）采用以下极端高温定义人群热暴露：（a）当地时间15:00气温的90th~95th百分位数；（b）95th~97.5th百分位数；（c）97.5th~99th百分位数；（d）99th百分位数；误差棒代表以人-小时为单位的年变化，以±1标准差表示。这些预测通过WRF模式对两个独立的全球气候模型GCM CESM和GCM GFDL进行动态降尺度计算得到。人口热暴露增加的计算方法为2090-2099年减去2000-2009年的人-小时。
3.2 适应和减缓的措施
城市当地的适应措施效果呈现出纬度梯度（图2），相对于当代基线（指当代的基准水平，用于评估气候条件、极端高温事件或其他相关指标的变化），纬度越高，人口热暴露的减少幅度也越大。这些结果表明了人口预测在决定极端高温总体热暴露方面的重要性。此外，纵向对比图2（a、c、e）或图2（b、d、f）可知，各自独立实施或联合实施城市当地的适应措施与温室气体的减缓措施都对缓解极端高温天气有成效，但联合实施两种措施对热暴露量的减少效果更为明显，同时实施适应和减缓两种措施可使未来更多的美国大陆城市的人口热暴露量更接近于当代基线水平。
图2 美国21世纪使用减缓和适应措施下人口年热暴露的相对变化图。（a）CESM模型下采用城市当地适应措施的结果图；（b）GFDL模型下采用城市当地适应措施的结果图；（c）CESM模型下采用全球温室气体减缓措施作用（RCP 8.5到RCP 4.5)的结果图；（d）GFDL模型下采用全球温室气体减缓措施作用（RCP 8.5到RCP 4.5）的结果图；（e）CESM模型下同时采用适应和减缓措施的结果图；（f）GFDL模型下同时采用适应和减缓措施的结果图。热暴露人-小时数是根据当地定义的本世纪初当地时间15:00气温的99th百分位数计算。
根据预测结果（图3），可以明显看出联合实施城市适应措施和温室气体减排措施对降低人口热暴露的效果优于单独实施适应措施或减排措施。此外，通过对比图3（a-d）可以发现，适应和减排措施对高阈值极端高温的降低效果更为显著。
图3 在RCP 8.5情景下，美国21世纪使用减缓和适应措施下年热暴露减少程度（CESM RCP 8.5温室气体排放和密集型城市发展）。（a-d）采用以下极端高温定义世纪末年热暴露：（a）当地时间15:00气温的90th~95th百分位数；（b）95th~97.5th百分位数；（c）97.5th~99th百分位数；（d）99th百分位数；误差线段代表以人-小时为单位的年变化，以±1标准差表示。其中，Adaptation表示独立采用城市当地适应措施的结果；Mitigation表示独立采用温室气体排放减缓措施（RCP8.5到RCP4.5）的结果；Adaptation and mitigation表示联合采用适应和减缓措施的结果。
以GFDL GCM驱动的WRF预测结果表明（图4），美国大陆47个主要城市在分别独立实施适应与减缓措施时所减小的热暴露量几乎一致。相反，使用CESM GCM驱动的WRF模拟结果表明，减缓措施效果优于适应措施（与GFDL GCM相比，突出了对温室气体强迫的更大敏感性）。
图4 适应和缓解措施对21世纪美国大陆47个主要城市热暴露的影响示意图。上图表示单个城市在RCP 8.5情景下的年度末世纪人-小时热暴露度避免量（轴线是非线性的）。相对于RCP 8.5温室气体排放和密集城市化的年度末世纪人-小时数（当地时间下午三点气温的第99百分位数）减少量，适应（x轴）策略与减缓（y轴）策略而得，分别对应CESM（蓝色）和GFDL（橙色）。
3.3 对昼夜周期的影响措施
研究表明，适应和减缓措施在昼夜周期中的影响存在显著差异。CESM的WRF模拟显示，极端高温时段的减少主要集中在白天，从早晨到傍晚，其中午后的减少最为显著（图5 左上和右上）。相比之下，GFDL的WRF预测表明，极端高温时段的减少范围跨度较小，主要集中在上午到下午。极端高温时段的减少在美国大陆东南部、东北部和大平原南部的城市地区最为明显，这些区域未来预计将经历最多的热暴露（图5 左下和右下）。
图5 实施适应和缓解措施下每年极端热小时数和时间的变化示意图。上图表示CESM（上）和GFDL（下）GCMs的动态降尺度模拟结果。极端高温定义为2000-2009年期间15：00气温（当地时间）的99th百分位数。x轴表示一天中的小时。
根据预测结果（图6）可以明显看出，联合实施城市适应措施和温室气体减排措施对降低世纪末极端热暴露的效果优于单独实施适应措施或减排措施。此外，通过对比图6（a-d）发现，适应和减排措施对高阈值极端高温的降低效果更为显著
图6 在RCP 8.5情景下，美国大陆本世纪末极端热十亿人-小时数减少程度示意图。（a-d）采用以下极端高温定义本世纪末极端热人-小时数：（a）当地时间15:00气温的90th~95th百分位数；（b）95th~97.5th百分位数；（c）97.5th~99th百分位数；（d）99th百分位数；误差线段代表以人-小时为单位的年变化，以±1标准差表示。
04 主要结论
（1）本研究发现联合实施城市适应措施和温室气体减排措施能够显著减少人口热暴露，在大多数情况下，联合实施两项措施的效果优于单独实施任一措施；不同城市地区的热暴露减少效果存在显著差异，特别是在美国东南部、东北部和大平原南部的城市，适应和减缓措施的减缓效果最为显著。
（2）对于高阈值的极端高温，适应和减缓措施的降低效果更佳，特别是在下午的高温时段；在独立实施适应或减缓措施时，美国东北部和中西部城市的热暴露程度显著降低。当这两种措施联合实施时，会出现协同效应。在最低极端热阈值下，联合实施措施的热暴露减少幅度超过单独实施效果的总和，但在最高极端热阈值下，联合实施措施的减少量则低于单独实施效果的总和。
05 引发思考
本研究为理解和量化适应与减缓措施在减少城市热暴露方面的潜力提供了科学依据，并指出了未来研究的方向，包括探索其他地区的适用性及长期基础设施变化的影响。此外，本研究通过探讨当共同实施适应和减缓措施时，会对美国大陆城市极端热暴露产生怎样的影响，这弥补了以往研究仅单独探讨适应或减缓措施对城市的影响的不足，但需要进一步探讨。
首先，这些措施有效性的全球通用性。因为本文的研究区仅集中于美国大陆城市，而其他气候条件和社会经济背景不同的地区未考虑到，如气候条件不同的阿拉斯加州和夏威夷州；或是同为高度发达国家但经济体量与美国有较大差异的英国和日本等国；或是气候条件与经济体量相似，但为发展中国家的中国，能否实现类似的效果，仍需进一步验证。
其次，研究发现，在最高极端热阈值下，适应和减缓措施的协同效应低于独立作用的总和，是否存在更有效的组合方式，能够在不同极端高温情景下最大限度减少热暴露。
最后，研究是否充分考虑了未来城市基础设施和社会行为变化的影响。随着气候变化加剧，城市发展模式可能影响减缓和适应策略的长期有效性，未来研究应纳入这些动态因素来进一步探讨更可靠的结论。
编者注
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原文出处
Georgescu, M., Broadbent, A. M., & Krayenhoff, E. S. (2023). Quantifying the decrease in heat exposure through adaptation and mitigation in twenty-first-century US cities. Nature Cities, 1(1), Article 1. https://doi.org/10.1038/s44284-023-00001-9
文字来源：朱俊凯
图片来源：https://www.nature.com/
编辑：朱俊凯
审核：罗楚玉 罗思嘉
