综述：极端高温事件对死亡率的影响

极端高温的强度和频率都在增加，威胁着人类的健康。本综述评估了与极端高温相关的死亡风险，揭示了1994年至2023年间，年轻人和老年人的人类热耐受性（即不可补偿阈值）分别超过了全球土地面积的2%和21%。

　　

本文是一篇发表于Nature Reviews Earth & Environment的综述文章，探讨极端高温事件对人类死亡率的影响。研究发现，自 2000 年以来，极端高温已造成超 26 万例死亡。文中结合物理气候科学与高温致死风险，分析了不可代偿阈值和不可生存阈值的跨越情况，并指出人为变暖将使这些阈值跨越更为频繁。为降低未来极端高温事件的死亡率，需要跨学科研究，并采取有效适应措施。下面将以 “第一作者单位”（伦敦国王学院地理系）的研究人员代替第一人称，对文章进行翻译。

摘要

极端高温威胁人类生命，自 2000 年以来，在最致命的高温事件中，与高温相关的死亡人数总计超过 26 万。在这篇综述中，伦敦国王学院地理系的研究人员将物理气候科学与高温致死风险联系起来，包括跨越不可代偿阈值（超过该阈值，人体核心体温会不受控制地上升）和不可生存阈值（6 小时内核心体温升高到致命水平）。不可代偿阈值（湿球温度约 19 - 32°C）在很大程度上取决于年龄以及气温和相对湿度的组合。这些阈值在年轻人中很少被突破（1994 - 2023 年期间，约 2.2% 的陆地面积出现这种情况），但在老年人中突破的范围更广（约 21%）。不可生存阈值（湿球温度约 20 - 34°C）仅在老年人中被突破（约 1.8% 的陆地面积）。人为变暖将导致更频繁地跨越这些阈值，如果升温达到比工业化前水平高 2°C，年轻人面临不可代偿高温的陆地面积将增加两倍。跨学科研究必须增进对前所未有的高温致命潜力以及如何降低这种潜力的理解。在气候变暖的情况下，大气对人类生理的影响日益加剧，确保所有人都能可靠地获得凉爽的避难所是当务之急。

引言

人为强迫导致海洋、陆地和大气中长期的热量积累。大气热量的增加最直接地表现为对流层干球气温（）的上升。事实上，自工业化前时期以来，这种干热（热量收支中的显热项；方框 1）已经升温超过 1°C。然而，气候变暖不仅要考虑干球气温的变化，还需考量总热量（“湿焓” 或 “湿热”）的改变。自 1950 年起，湿焓（显热和潜热之和）的增加中，约三分之一归因于大气水汽增加导致的潜热含量上升（方框 1）。关键的是，全球气候平均状态的这些上升趋势，伴随着干旱和湿热极端事件发生频率和强度的增加。

这些极端高温事件（包括干热和湿热）对人类生活产生重大且深远的影响。人类受到的影响可能源于生物圈内部的变化（例如对农作物的影响），热敏感基础设施的损坏，或直接由人体对热应激的生理脆弱性导致（方框 2）。后者会引发一系列不良健康后果，甚至导致死亡。各种大规模死亡事件证明了极端高温的致命性。例如，21 世纪最致命的三起高温事件共造成近 20 万人死亡，其中包括 2003 年欧洲约 7.2 万人死亡，2022 年欧洲又有 6.2 万人死亡，以及 2010 年俄罗斯热浪期间约 5.6 万人丧生（表 1）。

因此，预计的极端温度上升是人类健康的一个基本问题。事实上，预计与 2000 年相比，到 2020 年，全球范围内百年一遇的高温致死事件发生频率已提高 5 - 10 倍；如果全球平均气温比工业化前水平升高 2°C，这类事件可能每隔几年就会发生一次。然而，这些预测可能仍较为保守，因为未来变暖可能会使人类对高温的生理耐受阈值在前所未有的规模上被突破。预测未来极端高温的强度及其最坏影响，对于理解减缓气候变化失败的代价，以及针对最需要的社区，以适当规模制定适应措施至关重要。

在这篇综述中，伦敦国王学院地理系的研究人员总结了气候变暖下极端（显热和总热）高温对死亡率的威胁。研究人员首先概述极端高温的物理科学，包括极端事件的驱动因素、气候特征和可能的最大值。接着探讨高温致死情况，讨论用于理解不断变化的风险的实证和统计方法，然后从生理学角度探索人类对高温耐受的上限，包括在过去和未来可能的气候条件下对这些上限的突破情况。随后，研究人员阐述了适应措施在降低未来极端高温事件死亡率方面的潜力，最后进行总结并对未来研究方向提出展望。此后，“干热” 指显热成分（与成正比），“湿热” 指显热和潜热成分之和（与湿焓和湿球温度成正比；方框 1）；“高温” 作为涵盖两者的统称。

极端高温的物理科学

在评估高温对死亡率的影响之前，了解解释观测到的极端高温分布及其对气候变暖敏感性的物理过程非常重要，这有助于深入了解其上限。

1. 极端高温的驱动因素：大气动力学是驱动极端干热的关键因素。这类极端高温通常与高压系统（反气旋）相关，特别是下沉空气的绝热增温、云量减少和降水减少。如果高压系统停滞不前，这些效应在空间和时间上会被放大。因此，干热的反气旋增强在区域上存在差异，在大气动力学有利于这种阻塞的中纬度地区最为强烈。强反气旋驱动的热浪例子包括 2003 年的欧洲热浪事件和 2021 年的北美西部热浪事件。
   其他大气和陆地表面因素也与极端干热有关。例如，暖空气平流（如在一些中纬度沿海地区，如不列颠群岛）和山区附近空气的风致下沉（如青藏高原北部和落基山脉沿线），是驱动极端的关键因素。地表条件，如低土壤湿度，也可以通过将更多的净辐射分配给显热而非潜热，增加非绝热加热，从而放大。同样，土地覆盖因素，包括反照率、地表粗糙度、水分可用性、热属性和植物水力学，也有影响。例如，城市化可以通过这些地表特征使相对于农村地区升高，尽管人为气溶胶可以缓和这些影响。
   与干热类似，大气动力学在驱动湿热方面也起着至关重要的作用，但调节过程取决于背景气候。例如，潮湿且能量有限的地区（如孟加拉国）需要高压条件来升高，而干燥且水分有限的地区（如巴基斯坦）则依赖水汽平流来增加大气湿度。在空间上，最强烈的湿热事件通常出现在地表水分源附近（包括植被）或其下风向。因此，灌溉（增加地表水分通量并降低边界层深度）往往会在一些地区放大湿热极端事件，如美国大平原中北部和印度 - 恒河平原。相比之下，城市化在一些地区会降低局部湿度，导致湿热净减少。
   大尺度的变率模式和远程驱动因素也会调节干热和湿热的极端情况。例如，厄尔尼诺 - 南方涛动和马登 - 朱利安振荡可以通过控制大气环流和地表能量平衡来影响气温和湿度。它们对海表温度的影响也间接控制了极端高温事件的强度。例如，在厄尔尼诺事件期间，随着海洋表面温度升高，热带陆地出现湿热极端事件的概率增加。此外，驻波列可以在全球多个地点同时引发极端高温事件。人们也越来越意识到，其他水文气象灾害可以远程影响极端高温，如热带气旋外围与下沉相关的辐射加热、上游干旱引起的显热平流，或与大气河流或中尺度对流系统相关的水汽平流和再蒸发。
2. 极端高温的气候特征：观测到的最高干热在地理上存在显著差异。在 ERA5 数据集中，最高的干热值出现在亚热带、低海拔沙漠地区，包括撒哈拉沙漠、中东、南亚、美国西南部和澳大利亚中部（图 1a）。在这些地区，由于绝热和非绝热加热，干热值超过 46°C（或显热超过 325kJ/kg）。由于大尺度反气旋环流的持续存在，这些地区中的许多地方连续数月持续炎热，最高相对暖季平均值上升幅度较小。相比之下，中高纬度地区的变率要大得多，由于极端环流（500 百帕位势高度高）、平流和陆地表面强迫（土壤湿度非常干燥），会出现大幅度的异常。
   观测到的最高湿热模式与干热有所不同。最极端的湿热出现在南北半球大约 15 - 40° 的纬度范围内，涵盖外热带、亚热带和低中纬度地区（图 1b）。尽管潜热在湿焓中所占比例相对较小（全球约 10%，低纬度地区更高），但湿度异常往往是产生湿热极端事件的最重要因素。因此，峰值（>400kJ/kg；>32°C）出现在高、水汽源丰富且垂直剖面无对流的特定地点，如亚热带沿海地区和南亚北部内陆。事实上，有记录以来最高的湿热出现在巴基斯坦的雅各布阿巴德和阿联酋的哈伊马角的气象站，>35°C；在未监测的地区，如波斯湾附近水域，可能会出现更高的值。在干旱的内陆地区，湿热对水分的依赖表现为降水事件前后的时间聚集，以及对土壤湿度和灌溉等人为地表改造活动的敏感性。
   气候模型通常能较好地捕捉干热和湿热的热点地区。然而，强度偏差往往需要校正，如果模型分辨率太粗，可能会遗漏重要的区域尺度特征。
3. 极端高温的变化：随着全球平均温度的上升，极端高温变得更加严重。除北极地区（本综述未包括）外，极端干热增加的显著热点地区是西欧和亚马逊地区，在这些地区，年最高的增长速度比全球平均速度快五倍以上（图 1c）。极端湿热的变化在纬度上更为均匀，高纬度地区显热的较大变化弥补了潜热的较低增加（图 1d）。陆地和海洋上的极端湿热变化趋势也相似，这与理论预期和基线气候特征相符。然而，一些极端湿热变化的热点地区也很明显，如阿拉伯半岛，那里年最高的增长速度比全球平均快四倍。干旱和湿热极端事件的发生频率也呈上升趋势。总体而言，人们对极端湿热的暴露增加速度比对干热的暴露增加速度更快，部分原因是低纬度地区人口密集，且社会经济影响不均衡。
   模型模拟表明，人为变暖将继续加剧极端干热。在 CMIP6 模拟中，预测的变化（其幅度与观测到的趋势并不严格可比，部分原因是集合平均消除了自然变率）所显示的模式与观测记录大致一致，包括对变化热点地区的判断。例如，预计亚马逊地区、中欧和北美中部极端干热的增加幅度最大，在这些地区，极端每升温 1°C 可能增加超过 2°C（图 1e）。这些地区极端升温加剧的原因是土壤湿度降低导致蒸发分数下降，尤其是在最热的日子。在热带地区，可以利用基于历史极端条件下的相对湿度（），来量化热带湿焓增加导致的极端放大，而热带湿焓的增加受热带海表温度变暖的控制。在全球范围内，CMIP6 预测表明，随着全球平均温度上升，历史上罕见或创纪录的干热事件发生频率将单调增加。例如，历史干热的第 99 百分位数（43.35°C）预计在气候从比工业化前水平升温 1°C（1994 - 2023 年相对于工业化前时期的大致升温幅度）到升温 2°C 时，出现频率将变为原来的 2.2 倍；在升温 4°C 时，出现频率将变为原来的 7.4 倍（图 1g）。历史最高干热（51.19°C）预计在比工业化前水平升温 2°C 和 4°C 时，相对于升温 1°C 时的频率，将分别增加约 50 倍和 5000 倍（图 1h）。
   预测的极端湿热变化也大致模仿了观测到的模式。预计北温带地区的极端上升速度将快于全球平均，而其他地区的上升比例通常小于 1。在热带地区，人为每升温 1°C，极端的增加幅度与略低的热带平均升温速度更为接近（图 1f）。然而，在亚马逊地区发现了一个热带变化热点，预计该地区的上升速度将快于全球平均。与观测到的变化一致，在亚热带北非和从阿拉伯半岛到西亚的地区，也出现了类似的低纬度极端变暖热点。这些地区在未来气候情景下都预计会有更多的水汽平流。在亚马逊地区，预计向下的太阳辐射增强可能会进一步增加湿热积累。与干热不同，随着气候变暖，极端湿热的发生频率表现出更强的非线性变化，历史极端湿热（第 99.9 百分位数；27.62°C）预计在升温 2°C 和 4°C 时，相对于升温 1°C，出现频率将分别变为原来的 3.7 倍和 27 倍（图 1g）。历史创纪录的（34.64°C）在升温 2°C 和 4°C 时，预计出现频率将分别增加约 120 倍和 6900 倍（图 1h）。
   因此，随着全球平均温度的上升，极端干热和湿热预计将继续加剧，大致与已经观测到的总体模式一致。这些增加主要归因于大气能量平衡的变化，环流趋势起次要作用。温度和湿度的概率分布通常也向上移动，而形状变化不大。湿度变化是解释全球极端干热和湿热增加热点地区的关键因素，但也存在很大的不确定性。特别是，模型中对控制地表水分通量的过程，包括人类活动（如灌溉）和自然反馈（如干旱、野火和地表能量通量之间的反馈）的描述不足。
4. 极端高温的上限：除了量化变化速率外，评估气候变化下可能出现的最大干热和湿热极端情况，对于理解跨越关键（如生物物理）阈值的风险至关重要，一旦跨越这些阈值，影响可能会急剧增加。
   可以使用具有负形状参数的合适广义极值（GEV）分布，从统计学角度估计和的上限，该参数定义了分布的支持上限。大集合气候建模也已成为探索最大可能值的关键工具，通过大幅增加样本量来降低 GEV 参数的不确定性。然而，即使采用旨在生成最极端高温的集合采样算法，模型模拟也不能保证达到给定气候状态的上限。统计拟合也可能不切实际。因此，确定极端高温极限的物理约束是一项关键进展，对流阈值（与大尺度气候状态相关）现在被认为是一些地区控制最大湿热和干热极端值的关键因素。
   利用物理框架评估了热带地区可能的最高，在热带自由大气中，大气是湿绝热的，水平温度梯度较弱。这些环境条件对近地表形成对流上限，该上限由纬向平均湿静力能以及对流羽流中干空气卷入产生的负浮力效应程度控制。这个上限的强度与热带平均几乎呈 1:1 的比例关系，这与热带海表温度的最大变暖情况一致，并且随着气候变暖，对流层干燥（相对于饱和状态）导致干空气卷入增加。这种比例关系为评估在人为变暖情景下，极端超过人类对高温耐受的关键生理阈值的可能性，提供了一个便捷的框架。
   利用对流阈值，在对显热项中湿焓的分配比例做出假设的情况下，也可以对可能的最高干热进行约束。这个物理框架也可以应用于夏季中纬度陆地地区，在这些地区，该框架所依赖的湿绝热大气假设通常是合适的。这些纬度地区的中层大气湿静力能（决定了的上限）由一系列尺度的过程控制。对流活动在局部地区很重要，尽管温带气旋前的暖输送带可以将湿焓远距离输送到中层大气。结果是形成了一个对流上限（中层大气），历史上它与全球平均大致呈 1:1 的比例关系，这意味着可能的最高（近地表）的增长速度几乎快了一倍，与中纬度地区极端的最大预测变化相对接近（图 1e）。这个物理框架还揭示，如果陆地表面更干燥，历史上中纬度地区的极端可能会高得多。例如，在 2019 年，西欧创纪录的干热在某些地区可能比实际温度高出 10°C 以上，这意味着法国巴黎的温度可能达到 46.6°C，德国法兰克福的温度可能达到 50.1°C。大型气候模型集合支持这一解释，强调如果相互作用的因素（土壤湿度和环流异常）以最佳方式组合，北半球中纬度大部分地区的最大异常可能比 1979 - 2018 年观测到的最大值高出 25 - 50%，即使在工业化前的气候条件下也是如此。
   因此，在热带和中纬度的大部分地区，可以确定和的上限。从物理角度考虑，预计的上限上升速度将快于。此外，在人为变暖的情况下，最大可能值的线性变化意味着最大可能值的非线性增加。目前尚不清楚气候模型在模拟产生最极端事件所需的罕见相互作用过程时是否存在偏差，但它们支持随着进一步变暖，打破纪录的极端高温事件发生可能性很高的理论观点。

极端高温的致命影响

尽管人类的毛发稀少、具备出汗能力和双足行走有助于耐热，但在生理上仍然容易受到极端高温的影响（方框 2）。事实上，与高温相关的死亡率已有充分记录，其发生途径包括直接途径（与人体生理上的热应激有关）或间接途径（包括与生物圈或农业