AGR FOREST METEOROL：量化单一、复合及级联气候极端事件：对加利福尼亚州农业抗灾能力的影响

量化单一、复合及级联气候极端事件：对加利福尼亚州农业抗灾能力的影响

期刊：Agricultural and Forest Meteorology（5.7）

发表日期：2025年10月

 

 

研究摘要

 

随着气候变化不断加剧，极端天气事件对美国加利福尼亚州中央谷地这一重要农业区的威胁日益加剧。该区域正面临热浪（HW）、干旱（DR）以及复合型极端事件风险上升的多重挑战。此类事件不仅直接扰乱作物生产，还会对水分需求、病虫害动态、土壤稳定性等系统过程产生显著影响，构成系统性农业风险。本研究基于NOAA nClimGrid-Daily数据集，系统分析了1951-2025年热浪、寒潮（CW）、干旱、极端降雨（ER）及其复合型（如HWDR）与连锁式极端事件的时空演变特征，并分别对长期（1951-2025）与中期（1981-2025）时段的频次、强度与持续时间趋势进行评估。结果表明，中央谷地南部热浪与干旱事件呈显著上升态势：中期时段内，分别有35%与60%的区域热浪频次与强度呈现强烈显著上升趋势，这与区域变暖（+0.234℃/10a）及降水变率增强密切相关。谷地北部对极端降雨、冷旱（CWDR）与冷湿（CWER）事件更为脆弱，反映出气候变率显著增强。极端事件热点区整体呈北移趋势，其中热旱复合事件以20.94 km/10a的速率向北迁移。6-7月热浪与干旱峰值与作物关键生育期高度重合，而2-3月降水则对植被早期生长具有重要支撑作用。作物响应方面，扁桃对干旱脆弱性最高，2014年出现显著kNDVI负异常；葡萄对高温呈中等响应，且对早春降雨表现出正向受益，2005年kNDVI异常值达到0.03。年内分析显示，2014年极端热浪、干旱叠加降水偏少与地下水枯竭，在作物果仁开裂与坐果关键期形成叠加胁迫。研究指出，推广精准灌溉、选育抗旱耐热品种等靶向策略，对于提升区域农业气候韧性至关重要。

 

引言

 

气候极端事件正越来越多地以复合型与连锁式形式发生，其对生态系统、农业生产与人类生计的影响被显著放大。热浪、寒潮、干旱、极端降雨等单一极端事件已被证实会对农业系统产生显著冲击。热浪与干旱会破坏土壤水分动态、阻碍作物发育，并对水资源管理形成压力；寒潮与极端降雨叠加也会产生类似影响。

尽管单一极端事件已对作物产量构成实质性威胁，但当多种事件组合形成复合型极端事件时，其影响会呈现协同放大效应，对农业系统与全球粮食安全构成更加严峻的威胁。例如，海洋热浪与热带气旋叠加会增强风暴强度，并对沿海与内陆农业区产生连锁影响。

复合型气候极端事件会渗透农业生产、流通与可及性等全链条，使脆弱区低产概率提升至原来的三倍。此类事件可扰乱供应链、降低市场供给、推高粮食价格，从物理可及性与经济可及性两个维度限制粮食获取，对低收入群体与农村社区影响尤为突出。

尽管气候极端事件在干旱区普遍存在，但不同土地利用类型的影响差异显著，各自呈现独特的脆弱性特征。在农业区，降水与温度格局改变会直接改变作物产量、提高灌溉需求或引发种植结构调整；牧场对干旱与荒漠化高度敏感，而干旱区已占全球陆地面积近一半，在气候变化与土地退化双重压力下，生态系统服务与畜牧业生产力持续下降；湿地则面临水文格局改变、冻土融化与温度极端事件威胁，影响生物多样性与碳储存功能；城市地区因下垫面硬化与热岛效应，放大热浪与内涝风险，威胁人居健康与基础设施安全。

总体而言，干旱、极端降雨、热浪等极端事件的影响强度与形式随土地利用类型而异：农业与牧场对水分相关极端事件尤为敏感，而城市与森林则面临高温与土地覆被改变带来的复合风险。

在所有土地利用类型中，农业对复合型极端事件暴露度最高。高温、干旱、降雨事件的短暂叠加即可对作物产量与粮食安全产生不成比例的影响。复合型气候极端事件通过改变土壤水分状况、干扰物候发育阶段、加剧病虫害压力等途径显著抑制作物生产。仅2023年，美国干旱、热浪、野火等重大气象灾害就造成超过210亿美元的作物与牧场损失，凸显复合型气候极端事件对农业日益加剧的经济冲击。此外，未来预估显示，到本世纪末，复合型气候极端事件的发生频次与危害程度可能上升8倍。

为应对上述挑战，遥感技术与统计方法的最新进展被越来越多地用于复合型事件的监测与预警，为作物管理提供早期干预支撑。与此同时，评估气候变化与极端天气对农业影响的统计方法呈现多元化发展，可有效捕捉复杂交互作用。经验统计模型通过分析历史产量与气候数据，利用线性回归、滑动平均等方法分离气候效应与技术趋势。全球作物模型荟萃分析显示，增温背景下作物产量中位数降幅为4.6%~11%，同时高分辨率数据集揭示出显著的区域差异。对于干旱 — 热浪、霜冻等复合型或连锁式事件，统计产量模型基于空间分布式数据分离累积影响，结果表明在干旱年份，仅生物物理极端事件即可解释玉米等特定作物高达 97%的收益损失。

本研究构建的集成框架，系首次在中央谷地同时量化单一、复合型与连锁式气候极端事件及其农业影响，研究结果可深化气候-农业关联机制认知，并为这一全球高产农区的韧性规划提供科学支撑。

 

研究方法

 

2.1 研究区域

本研究以美国加利福尼亚州中央谷地（Central Valley, CV）为研究区。

 

2.2 数据来源

本研究使用1951–2025年加利福尼亚州（32°N–42°N，125°W–114°W）逐日格点气象数据计算气候极端事件指数。

基础气象数据：日最高温（TMAX）、日最低温（TMIN）、日降水量（Pre）。

植被与作物数据：归一化植被指数（NDVI）、k NDVI、产量、种植面积、单产。

水文与大气数据：水汽压亏缺（VPD）、蒸散量（ET）。

大尺度气候指数：厄尔尼诺–南方涛动指数（Niño 3.4）、太平洋年代际振荡指数（PDO）。

 

2.3 研究方法

研究流程如图 2。

 

 

2.3.1 单一极端事件计算

热浪（HW）：连续≥3天，TMAX超过1981-2010年参考期95%分位数，且最低阈值≥25℃。

寒潮（CW）：连续≥3天，TMIN低于参考期5%分位数。

极端降雨（ER）：日降水量超过湿日95%分位数，最低阈值≥1mm。

干旱（DR）：连续≥5天，日降水量＜1mm。

频次：生长季（2-10月）逐年逐格点独立事件计数。持续时间：事件平均天数（总天数/事件数）。强度：采用量级指数计算。

 

2.3.2 复合与连锁式极端事件计算

定义4类组合事件：热旱（HWDR）、热湿（HWER）、冷旱（CWDR）、冷湿（CWER）。复合事件：两事件重叠或间隔≤1天。连锁事件：前一事件结束至后一事件开始的间隔为2-7天。

 

2.3.3 极端事件时空分析

绘制频次、强度、持续时间空间分布图，全局归一化便于对比。采用Mann-Kendall结合Theil-Sen中位数斜率估算趋势量。选取4类用地，分1951-1975、1976-2000、2001-2025三个时段对比极端事件变化。

 

2.3.4 脆弱性分析

对逐类事件的频次与强度做0–1归一化，计算几何均值。采用乘积模型聚合单一、复合、连锁事件的hazard评分，划分为5级：无、低、中、高、极高。逐像元取hazard评分最大值，确定主导极端类型。

 

2.3.5 对作物的影响分析

标准化降水指数（SPI）：12个月尺度，反映长期水分亏缺。标准化温度指数（STI）：基于TMAX正态分布构建，反映高温胁迫。

采用kNDVI=tanh(NDVI²)表征植被活力，计算年度距平，与极端事件频次距平关联。

提取扁桃、葡萄种植区，逐月分析TMIN、TMAX、VPD、Pre、ET，匹配关键物候期（开花、坐果、硬核、转色、成熟），结合GRACE地下水储量，解析极端事件在关键生育期的胁迫机制。

 

 

研究结果

 

3.1 单一、复合及连锁式气候极端事件频次、强度与持续时间的时空趋势

（1）频次特征

在长期时段P₇₅ᵧ内，热浪（HW）频次在中央谷地北部、南部达到峰值，沿海区域、谷地中部及内华达沙漠地区超过50%区域呈强烈显著上升趋势。在近期时段P₄₅ᵧ内，谷地南部、东部沙漠及沿海区域35%区域呈上升趋势。

寒潮（CW）频次在P₇₅ᵧ内高值区集中于沿海与内华达山脉并延伸至北加州，但60%以上区域呈非显著下降；在P₄₅ᵧ内，谷地中南部与北加州呈小幅上升。

干旱（DR）频次在P₇₅ᵧ内峰值出现在沙漠区及谷地南北部部分区域，仅呈微弱NSD趋势；而在 P₄₅ᵧ内，谷地北部呈小幅上升。

极端降雨（ER）频次在P₇₅ᵧ内高值区集中于加州西北部，谷地大部、南加州与内华达山脉呈非显著上升。

 

 

复合事件方面，冷旱（CWDR）频次高值区位于谷地与沙漠区，在P₇₅ᵧ与P₄₅ᵧ均呈下降趋势，但南加州在P₄₅ᵧ呈显著上升。冷湿（CWER）频次峰值位于内华达山脉，P₄₅ᵧ内谷地南北部及北加州50%区域呈上升趋势。热旱（HWDR）频次在沙漠区占优，P₇₅ᵧ内谷地南部50%区域呈SSI趋势，P₄₅ᵧ进一步加剧，热点集中于谷地南部与圣何塞至圣巴巴拉沿海区域。

连锁事件方面，连锁冷旱（CAS_CWDR）频次在 P₇₅ᵧ呈非显著下降，P₄₅ᵧ在谷地南北部上升；连锁冷湿（CAS_CWER）频次在内华达山脉部分区域在两个时段均下降；连锁热旱（CAS_HWDR）频次在沙漠区呈上升趋势，谷地北部与北加州沿海显著上升。

（2）强度特征

热浪（HW）强度在P₇₅ᵧ内峰值位于谷地南部与北加州，80%以上区域呈上升趋势；P₄₅ᵧ降至60%，主要集中在谷地南部与沿海。寒潮（CW）强度在P₇₅ᵧ谷地下降，P₄₅ᵧ全域70%呈下降。干旱（DR）强度高值区位于谷地南部、沙漠与南加州，由P₇₅ᵧ非显著下降转为P₄₅ᵧ谷地小幅上升。

 

 

极端降雨（ER）强度除内华达山脉与北加州外基本稳定，加州西北部与谷地中部下降，沙漠区在P₄₅ᵧ小幅上升。复合冷旱（COM_CWDR）强度在谷地中南部（默塞德、克恩县）与沙漠区偏高，谷地北部呈SSI趋势。复合热旱（COM_HWDR）强度在P₇₅ᵧ沙漠与沿海显著上升，P₄₅ᵧ谷地非显著下降。连锁冷旱（CAS_CWDR）强度在谷地北部上升，连锁热旱（CAS_HWDR）除东部沙漠外显著下降。

（3）持续时间特征

热浪（HW）持续时间在P₇₅ᵧ谷地与沿海上升，P₄₅ᵧ谷地南北部显著上升。寒潮（CW）持续时间在P₇₅ᵧ谷地中北部小幅上升，P₄₅ᵧ全面上升。干旱（DR）持续时间在两个时段均由谷地北部向中部上升，P₄₅ᵧ在沙斯塔县达到峰值。极端降雨（ER）持续时间在P₇₅ᵧ全域55%区域上升，P₄₅ᵧ在内华达山脉上升。复合冷旱（COM_CWDR）持续时间P₇₅ᵧ下降、P₄₅ᵧ谷地上升；复合热旱（COM_HWDR）持续上升。连锁冷旱（CAS_CWDR）持续时间P₇₅ᵧ下降、P₄₅ᵧ谷地上升，凸显谷地对热旱（HWDR）与旱涝（DRER）的脆弱性。

时间演变表明，不仅高温与干旱类极端事件增多，同期或连锁发生的复合事件风险显著上升，在近期时段尤为明显。

 

 

3.2 脆弱性分析

在时空与土地利用分析基础上，本研究评估1951-2025年加州中央谷地气候极端事件的空间灾害脆弱性（图9a–f）。脆弱性指数图（9a–c）整合频次、强度、持续时间，将像元脆弱性划分为：无、低、中、高、极高五级。

单一事件脆弱性（图9a）在谷地中北部最高，受热浪、寒潮、干旱、极端降雨共同驱动；谷地南部以低-中等为主。复合事件（图9b）使同一北部区域脆弱性进一步放大。连锁事件（图9c）空间格局相似，凸显谷地中北部极高脆弱性。

主导驱动因子图（图9d-f）表明：谷地北部极端降雨（ER）为首要单一灾害；谷地东部以干旱（DR）为主；谷地南部为热浪与干旱混合主导，呈现显著区域差异。南加州沿海受极端降雨影响；东南部与沙漠以热浪、干旱为主。

复合事件主导类型（图9e）：谷地与东部以冷旱（CWDR）为主，谷地周边以冷湿（CWER）为主，北加州以热旱（HWDR）为主。连锁事件主导类型（图9f）：谷地全域以冷湿（CWER）为主；南加州沿海以冷旱（CWDR）为主；内华达沙漠以热旱（HWDR）为主。

 

 

脆弱性由单一事件向复合、连锁事件逐级放大，谷地中北部风险最高，受极端降雨、冷旱、冷湿胁迫；谷地南部受热浪、干旱影响相对较轻。结果表明，高风险区域需要针对性适应措施。

为进一步解析北部谷地高农业脆弱性的成因，对该区域气候变量与极端事件进行详细时序分析（图10a-c）。图10a为1951-2025年最高温（TMAX）、最低温（TMIN）、降水量（Pre）的年代趋势；图10b-c为单一、复合、连锁事件频次与强度归一化热力图（P1-P3）。结果明确显示热浪与干旱主导程度不断上升，近几十年尤为突出。

TMAX呈清晰上升趋势，增温速率0.234℃/10a。TMIN增速0.167℃/10a，由7℃升至近10℃，2015年（2012-2016年干旱期间）显著峰值。降水量高度波动，年均约750 mm。2010年后表现为持续高温、热浪与干旱频次强度同步上升，寒潮与极端降雨主导性下降。频次热力图（图10b）显示北部谷地热浪、干旱急剧增加，与升温趋势一致。

复合事件分析结果表明连续热旱事件暴露风险剧增以及持续变暖背景下北部谷地对热旱交互作用的高度脆弱性。

 

 

本研究进一步分析1951-2025年单一（HW、CW、DR、ER）、复合（HWDR、CWDR、CWER）、连锁（HWDR、CWDR、CWER）事件频次与强度热点的年代际迁移（图11a–b）。

单一事件中，热浪频次热点靠近谷地北部边界，向东向内华达山脉迁移（1.71 km/10a）。干旱频次热点由东部沙漠向谷地转移。寒潮与极端降雨热点分别向西、向内华达山脉移动，证实谷地北部与萨克拉门托谷地为热浪、干旱热点，受小气候调控。

复合与连锁事件在谷地北部集聚更明显，凸显区域多灾种叠加暴露度。热旱（HWDR）热点快速向谷地中部迁移（20.94km/10a）。冷旱（CWDR）热点向西迁移（–33.33 km/10a），由谷地中部向湾区与西北谷地转移；冷湿（CWER）热点基本位于谷地北部，1980年代出现显著峰值。连锁事件中，连锁热旱（CAS_HWDR）频次与强度热点小幅向东向谷地中心移动，强度于2010年代在约洛县附近峰值（0.9）。连锁冷旱（CAS_CWDR）与连锁冷湿（CAS_CWER）迁移幅度较小，整体向北移动。总体而言，2010-2020年代是北部谷地热浪、干旱、热旱事件最极端时期，农业活动加剧脆弱性；冷旱（CWDR）向斯托克顿、萨克拉门托等城镇转移；早期干旱热点显著减弱，与空间脆弱性格局一致。

 

 

3.3 对作物的影响分析

为揭示气候极端事件与中央谷地植被动态的关联，本研究分析2000–2020年灌溉区、扁桃区、葡萄区的气候指数与核归一化植被指数（kNDVI）关系（图12a–d）。

散点图显示不同用地类型植被对干旱、高温的响应差异。SPI与kNDVI（图12a）均呈正相关，湿润条件下植被更健康。灌溉区整体kNDVI偏低但呈正相关，体现灌溉缓冲作用。STI与kNDVI（图12b）均呈负相关，高温胁迫增强：灌溉区热敏感性最强。

扁桃与葡萄均对热浪、干旱脆弱，2013-2015年kNDVI降幅最大，与北部谷地高温干旱峰值一致。但葡萄耐热性略强、对极端降雨响应更显著。冷旱、冷湿影响较弱，与频次下降趋势一致，主导胁迫转为高温与干旱。

 

 

讨论

 

本研究构建了一套综合分析框架，对过去75年间加利福尼亚州中央谷地单一、复合及连锁式气候极端事件的时空演变特征进行评估，并重点分析其对扁桃与葡萄两大支柱作物的影响。长期（75年）与中期（45年）时段所呈现的差异，一定程度上可由大尺度气候模态的转型与区域变暖趋势解释。结果表明，极端事件热点区呈现清晰的增强与北移特征，2001–2025年间北部与东部中央谷地的热旱复合事件（HWDR）显著增加，而极端降雨事件则向西偏移。永久经济林（尤其扁桃与葡萄种植区）在关键物候阶段暴露于多灾种叠加风险的程度显著偏高，凸显在高风险农业区实施靶向适应措施的必要性。

 

4.1复合与连锁事件相较于单一事件的放大效应

本研究结果证实，复合与连锁式极端事件（尤以热旱HWDR为甚）对农业生态系统的胁迫效应远大于单一极端事件，即多重胁迫在作物敏感生育期的叠加会对生理过程造成放大式损伤。连锁式极端事件表现为一种极端（如干旱）紧随另一极端（如热浪）发生，可形成累积性的水分与能量亏缺。

 

4.2空间脆弱性热点与农业气候分区

脆弱性图谱显示出持续的空间差异，北部中央谷地始终为多灾种暴露热点区。这一高风险格局被观测到的复合与连锁事件热点北移趋势进一步放大，其成因既包括地形地貌（海拔、临近内华达山脉），也包括土地利用转型。北部谷地的高脆弱性同样源于农业高度集约化与多灾种暴露的叠加效应。

土壤质地与持水能力进一步塑造了区域脆弱性。海拔梯度的存在提升了晚春寒潮风险，当其与干旱或极端降雨叠加时，会形成冷旱、冷湿等复杂风险。热旱、冷旱热点与农业地下水储留指数（SAGBI）II–III 区的空间重叠，表明气候风险与水文脆弱性高度耦合。

 

4.3作物性状差异与适应时机策略

扁桃与葡萄对气候极端事件的物候敏感性差异，为气候适应性栽培提供了关键依据。本研究表明，扁桃在3-5月（萌芽至硬核期）对干旱胁迫最为敏感，这与相关研究指出的该阶段水分亏缺导致大幅减产的结论一致。相较之下，葡萄在6-9月（转色至成熟期）对高温更为敏感，高温会加速糖分积累、改变酚类物质合成、降低果实品质。当极端事件以复合或连锁形式发生时，上述脆弱性会被进一步放大。

作物响应与气候指数（SPI、STI）的相关关系进一步反映了上述规律：扁桃对干旱（SPI）敏感性较低，葡萄对高温（STI）呈中等响应；扁桃对温度（STI）响应较弱，葡萄对降水（SPI）更为敏感。上述差异源于生理与结构性状的不同：扁桃为深根系、高耗水作物，高度依赖冬季低温时数与传粉服务，在长期干旱导致土壤水分与地下水枯竭时风险极高；葡萄根系相对较浅，可通过气孔调节与渗透调节在中度水分胁迫下维持光合，但在坐果与成熟期对高温敏感，易出现糖酸比失衡与品质下降。

总体而言，扁桃面临的主要风险来自持续性缺水，葡萄则更易受瞬时高温事件冲击。葡萄可通过冠层管理、适度遮阴等措施缓解盛夏热浪影响，同时不降低果实品质。结合育种与基于预报的田间管理系统，有助于种植者使作物物候与变化后的气候风险相匹配。

 

4.4陆–气反馈与农业水文系统的结构性不确定性

加州中北部成为复合型气候极端事件热点区，是大气环流转型、土地利用集约化与事件序列集聚共同作用的结果。土地利用类型对极端事件具有调制作用：城镇通过热岛效应放大热浪，灌溉农田对热旱敏感，湿地可缓冲温度波动但易受洪涝影响，牧场对干旱与连锁事件尤为敏感。上述格局充分说明地表过程与气候强迫共同决定了极端事件的表现形式。

单一事件频次高于连锁事件，复合同期事件最低，符合联合概率约束与复合事件类型学规律；与之相对，干热复合事件的强度最高，因为土壤湿度–温度反馈会放大胁迫效应；连锁序列虽比同期重叠更常见，但因存在时间滞后，单次事件强度通常更低。

 

结论

 

本研究揭示，1951-2025年期间，受区域变暖（最高气温以0.234℃/10年上升）与降水变率增大的共同驱动，加利福尼亚州中央谷地的热浪与干旱事件在发生频次、强度及持续时间上均呈显著上升态势，这一趋势在1981—2025年更为突出。中央谷地北部因农业集约化程度高、主导灾害频发（极端降雨、冷旱复合事件、冷湿复合事件）以及地下水持续枯竭，在6-7月作物胁迫峰值期表现为最高脆弱区域。2014年受强热浪、干旱、降水偏少与地下水超采的叠加影响，作物归一化植被指数（kNDVI）出现大幅下降；而2019年生长季前期充沛的极端降雨则支撑了作物健康生长。极端事件热点向中央谷地北部及内华达山脉迁移，叠加城镇与农业用地扩张，进一步加剧了区域水资源与作物胁迫。

基于归一化植被指数的气候指数关联分析表明，扁桃对干旱表现出显著敏感性，而葡萄对高温表现出中等程度响应，这一差异主要源于两类作物在生理结构、物候节律与水分管理模式上的不同。尽管在灌溉系统中归一化植被指数存在一定局限性，上述关系仍可为精准适应措施的制定提供有效指示。在中央谷地北部，推广抗旱耐热品种、提升灌溉效率、种植覆盖作物等策略尤为关键。

本研究不仅从统计上证实了极端事件的长期演变趋势，同时阐明了其背后的物理驱动机制，包括土壤-水分-温度反馈、风暴路径偏移以及水文气候摆动效应。将统计诊断与物理过程解析相结合，提升了研究框架对于认知当前农业脆弱性与预判未来风险的科学价值。与以往聚焦干旱的单一灾害研究不同，本研究系首次对中央谷地单一、复合及连锁式极端事件开展集成评估，并将热点迁移规律与作物物候耦合至农业韧性规划体系中。