在气候变化加剧的背景下，极端天气与空气污染对人类健康的复合影响日益受到关注。由清华大学地球系统科学系崔梦石、洪朝鹏、刘文宇、贺克斌及张强共同完成的研究，题为《Future warming exacerbates heatwave-ozone compound extremes in China》，于2025年发表在《npj Climate and Atmospheric Science》期刊上。该研究首次系统评估了未来气候变化对中国热浪-臭氧复合极端事件及其相关健康风险的潜在影响，为理解气候变化的复合健康效应及制定协同应对策略提供了关键科学依据。
本研究的学术背景根植于气候科学、大气化学与公共卫生的交叉领域。众所周知，全球变暖将导致热浪事件频发、强度增强，直接威胁公众健康。同时，高温、强太阳辐射等气象条件有利于地面臭氧的光化学生成，而气候变化也可能通过影响前体物排放等途径加剧臭氧污染。在中国，臭氧污染问题突出，与空气污染相关的死亡负担沉重。更令人担忧的是，热浪与臭氧污染事件可能同时发生，形成复合型极端事件，对健康产生协同或放大效应，其风险可能超过单一事件的总和。然而，以往的研究多孤立地评估未来气候变化对热浪或臭氧污染的单独影响，且往往基于分辨率较低的全球气候-化学耦合模型，对区域尺度极端事件和复合事件的模拟能力有限。对于未来气候情景下，此类复合极端事件的变化趋势及其导致的额外健康负担，仍缺乏清晰的认识和定量评估。因此，本研究旨在填补这一空白，通过构建高分辨率、多模型集合的区域气候与空气质量模拟系统，量化未来（本世纪中叶）在不同共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways, SSPs）情景下，气候变化驱动的热浪-臭氧复合极端事件变化及其导致的超额死亡人数，以揭示复合极端事件的挑战性，并强调气候行动与强化应对机制的紧迫性。
研究采用了严谨且创新的工作流程，主要包含三个核心部分：建立多模型集合动态降尺度模拟系统、评估未来极端事件变化、以及量化相关的健康影响。首先，研究团队构建了一个区域气候与空气质量耦合模拟系统。该系统的核心是将第五次耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）中五个全球气候/气候-化学模式（CESM2, GISS-E2-1-G, MPI-ESM1-2-HR, CMCC-ESM2-sr5, NorESM2-MM）的输出结果，通过动态降尺度（dynamic downscaling）技术，驱动高分辨率的区域天气研究与预报模型耦合化学模块（WRF-Chem v3.9.1）。这种方法巧妙地将全球模式模拟大尺度气候变化的能力与区域模式刻画局地地形、地表植被、中尺度天气系统及极端天气细节的优势结合起来。模拟空间分辨率设定为36公里，覆盖整个中国及部分东亚、东南亚地区。垂直方向分为24层。研究设计了两组对比模拟：历史基准期（2010-2014年）和未来时期（2056-2060年）。未来时期考虑了两种SSP情景，即代表高排放和高辐射强迫的SSP3-7.0情景，以及代表可持续和低碳路径、与中国2060年碳中和目标较为契合的SSP1-2.6情景。在未来的模拟中，保持空气污染物排放水平和化学边界条件与历史基准期一致，仅改变气候场和温室气体浓度，从而能够分离出“纯粹”由气候变化（而非排放变化）导致的影响。这种基于多模型集合的动态降尺度框架，有效降低了单一全球模型驱动带来的不确定性，提高了对未来气候及空气质量变化预估的可靠性。研究团队还通过驱动模型与再分析资料及中国环境监测总站观测数据的对比，验证了模拟系统对当前气候和臭氧浓度的再现能力，确保了其用于未来预测的可信度。
研究的第二个核心步骤是基于上述模拟结果，定义并分析各类极端事件的变化。热浪事件定义为：日最高温度超过历史基准期（2010-2014年）当地第95百分位数、且至少持续3天，并设定30°C为绝对阈值，以兼顾相对和绝对指标。臭氧污染事件定义为日最大8小时平均臭氧浓度（MDA8 O3）超过中国环境空气质量标准（160 μg/m3）。根据浓度水平，进一步划分为轻度污染（160-215 μg/m3）、中度污染（215-265 μg/m3）和重度污染（>265 μg/m3）。复合极端事件则指热浪与臭氧污染在同一天发生。此外，还定义了仅热浪事件（有热浪无臭氧污染）和仅臭氧污染事件（有臭氧污染无热浪）。研究团队计算了从历史基准期到未来时期，在全国及重点区域（京津冀、长三角、汾渭平原）这些事件发生天数的变化，并特别分析了在热浪期间臭氧浓度的提升效应，以及复合事件在不同等级臭氧污染事件中所占比例的变化。
第三部分是健康影响评估。研究采用流行病学模型来估算因暴露于极端事件而导致的超额死亡人数。对于热浪相关死亡，使用了基于荟萃分析得到的全因死亡率相对风险函数。对于臭氧短期暴露相关死亡，采用了基于中国272个城市研究的暴露-反应关系，即MDA8 O3浓度每增加10 μg/m3，每日全因死亡率增加0.24%。对于复合事件，研究引用了一项针对中国250个县的最新研究结果，该研究指出高温与臭氧污染同时暴露会产生交互作用（放大效应），使全因死亡相对风险额外增加约5%。因此，复合事件的死亡风险并非热浪与臭氧风险的简单相加，而是包含了放大效应。在计算中，使用了网格化的人口数据（2010-2014年）和全球疾病负担研究提供的基准死亡率，并假设未来人口结构和基准死亡率不变，从而将死亡人数的变化完全归因于气候变化导致的极端事件暴露变化。这使得研究能够量化“纯粹”由气候变化引致的额外健康负担。
研究取得了多项重要且相互关联的结果。首先，在气候变暖的驱动下，中国的热浪事件和臭氧污染均显著加剧。到本世纪中叶，在SSP3-7.0情景下，全国热浪暴露天数预计将增加17天（增幅1.5倍）；暖季臭氧污染天数预计将增加约13天（增幅58%）。升温更强烈的北方地区，以及京津冀、长三角、汾渭平原等原本污染较重、人口密集的区域，增幅尤为显著。这证实了气候变化对中国区域空气质量的“惩罚效应”（climate penalty）。
其次，也是本研究最核心的发现，热浪-臭氧复合极端事件将急剧增加，并成为主导性风险。分析显示，热浪期间，特别是在污染严重的地区，臭氧浓度显著高于非热浪时期，表明热浪是驱动臭氧污染事件的关键因素。在SSP3-7.0情景下，未来全国复合事件暴露天数将翻一番（增长208%），增速远高于仅热浪事件（135%）和仅臭氧污染事件（33%）。在京津冀地区，复合事件预计每年将增加多达11天，占该地区所有热和臭氧极端事件总增加天数的一半。更有警示意义的是，在未来的臭氧污染事件中，复合事件所占比例将大幅上升：在历史时期，复合事件约占中度及以上污染事件的20%，而到2060年，在SSP3-7.0情景下，这一比例将升至约40%。这意味着未来严重的臭氧污染事件，有近一半是与热浪携手而来。
第三，健康风险评估揭示了复合极端事件的巨大威胁。在SSP3-7.0情景下，仅由气候变化导致的、更频繁的复合极端事件，预计将在全国范围内造成61,600例额外死亡。这个数字超过了由更多仅热浪事件（55,300例额外死亡）或更多仅臭氧污染事件（15,600例额外死亡）单独造成的健康影响。复合极端事件成为高排放情景下健康风险上升的主要贡献者，占因气候变化导致的热和臭氧极端事件加剧所带来的总额外死亡人数的46%。在京津冀、长三角、汾渭平原这些高污染地区，复合事件的贡献甚至超过了一半。分解发现，在复合事件相关的额外死亡中，热浪是主要贡献因子，但交互作用产生的放大效应也贡献了约17%的死亡。如果同时考虑热浪、臭氧污染及其复合事件，那么在SSP3-7.0情景下，气候变化导致的死亡总数，将比仅关注热浪单一效应的估计高出约50%。在京津冀地区，这一比例高达1.5倍。相比之下，在低碳的SSP1-2.6情景下，各类极端事件和健康风险的增幅都大幅减小，凸显了积极气候行动的显著健康协同效益。
本研究的结论明确而深刻：未来气候变暖将显著加剧中国热浪-臭氧复合极端事件的发生频率和健康负担。在高排放路径下，此类高影响的复合事件，特别是在人口密集、污染严重的地区，其带来的额外死亡率将超过单一极端事件，成为气候变化健康风险的主要驱动因素。研究结果强调，在评估气候变化健康影响时，必须同时考虑极端事件的直接效应（如热浪）和间接效应（如加剧空气污染），否则会严重低估总风险。
本研究的亮点和价值体现在多个方面。第一，研究视角的创新性：首次系统性地将未来气候变化、复合极端事件（热浪与臭氧污染）及其健康风险进行整合量化研究，突破了以往孤立分析的局限，揭示了“1+1>2”的复合风险格局。第二，方法学的先进性与可靠性：采用了基于多CMIP6模型集合的高分辨率动态降尺度框架，耦合了WRF-Chem区域模型，大幅提升了对中国区域未来气候和空气质量极端事件模拟的精细度和可信度，有效处理了模型不确定性。第三，明确的政策启示：研究通过对比不同SSP情景下的结果，清晰展示了积极气候减排（如SSP1-2.6路径）对缓解复合极端事件及其健康负担的巨大效益，为实施碳中和等气候政策提供了强有力的健康论据。同时，研究指出，为应对此类复合事件，气候、空气质量和公共卫生管理部门需协同合作，建立早期预警系统和应对策略。第四，广泛的适用性：该研究框架和方法可推广至全球其他受臭氧污染困扰的地区，具有重要的借鉴意义。
此外，研究也坦诚地指出了若干不确定性，例如未来臭氧污染预估的不确定性、人口与基线死亡率保持不变的假设、暴露-反应函数（尤其是复合事件的风险函数）的不确定性，以及模拟时段相对较短等。作者也指出，未来除了热浪-臭氧复合事件，热浪-气溶胶等其它类型的复合极端事件也值得进一步研究。尽管如此，这项研究无疑为理解气候变化背景下复合型环境健康风险树立了一个重要里程碑，其发现凸显了采取严格气候减缓措施、并加强应对复合极端风险机制的迫切性。