量化极端气候事件对加州农业韧性的影响：单一、复合与级联效应的综合评估

《Agricultural and Forest Meteorology》：Quantifying single, compound and cascading climate extremes: Implications for agricultural resilience in California

　　本研究针对气候变化加剧背景下加州中央谷地农业面临的极端天气威胁，通过分析1951-2025年热浪(HW)、冷浪(CW)、干旱(DR)和强降雨(ER)等事件的时空动态，首次系统评估了单一、复合(HWDR、CWER等)和级联极端事件对杏仁、葡萄等作物的影响。研究发现北部中央谷地脆弱性最高，极端事件热点区以20.94 km/decade速度北移，2014年复合热旱事件导致植被指数(kNDVI)显著下降。研究为农业气候韧性规划提供了重要科学依据。

　　

随着气候变化的不断加剧，极端天气事件正以前所未有的频率和强度威胁着全球农业系统。在美国加利福尼亚州的中英谷地(CV)，这一挑战尤为严峻。这个被誉为"美国沙拉碗"的地区，不仅是全球重要的农业生产基地，更是杏仁、葡萄等高价值作物的主要产区。然而，近年来，热浪(HW)、干旱(DR)、冷浪(CW)和强降雨(ER)等极端气候事件的频繁发生，已经开始对当地的农业生产造成严重冲击。

更令人担忧的是，这些极端事件往往不是孤立发生，而是以复合或级联的形式出现。例如，热浪与干旱同时发生形成HWDR复合事件，或者冷浪与强降雨先后出现形成级联效应。这些复杂的极端气候组合对作物的影响往往不是简单的叠加，而是会产生协同放大效应，给农业生产带来更大的不确定性。尽管此前已有研究关注加州的干旱或高温等单一极端事件，但对复合和级联极端事件的系统评估仍然缺乏。

为了解决这一知识空白，由Shahryar Fazli领衔的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》上发表了最新研究成果。该研究首次对加州中央谷地1951年至2025年期间的单一、复合和级联极端气候事件进行了全面系统的量化分析，并深入探讨了这些事件对主要农作物特别是杏仁和葡萄的影响机制。

研究团队采用了多源数据融合和时空分析的方法论框架。他们利用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的nClimGrid-Daily高分辨率日值数据集，获取了1951-2025年期间的日最高温度(T_max)、日最低温度(T_min)和降水量(Pre)数据。同时，结合MODIS遥感数据获取植被指数(NDVI)，并利用核函数处理得到kNDVI以克服传统NDVI在茂密植被中的饱和问题。此外，还整合了美国农业部(USDA)的作物数据层(CDL)和农业统计局(NASS)的产量数据，以及GRACE重力卫星的水文观测数据。

在极端事件定义方面，研究采用了基于百分位数的阈值方法：热浪定义为连续3天以上日最高温度超过1981-2010年参考期95%分位数且不低于25°C；冷浪为连续3天以上日最低温度低于5%分位数；干旱为连续5天以上日降水量低于1mm；强降雨为日降水量超过95%分位数且不低于1mm。对于复合事件，研究考虑了HWDR、HWER、CWDR和CWER四种组合，定义为两种极端事件至少有一天的重叠或间隔一天内发生。级联事件则定义为两种极端事件间隔2-7天依次发生。

3.1. 单一、复合和级联极端事件的时空趋势分析

研究结果显示，在1951-2025年的长序列中，热浪和干旱事件呈现明显的增加趋势，特别是在1981-2025年的近45年间，这种趋势更加显著。热浪频率在中央谷地南部地区增加最为明显，约35%的区域呈现强显著增加趋势，而热浪强度则有60%的区域显示强显著上升。空间上，热浪和干旱的高发区逐渐向北部中央谷地迁移，热浪-干旱复合事件(HWDR)的迁移速度达到20.94公里/十年。

值得注意的是，不同土地类型对极端事件的响应存在显著差异。城市区域由于热岛效应，热浪频率和强度增加最为明显；农业区域则对热浪-干旱复合事件最为敏感；而湿地和牧场对不同类型极端事件的脆弱性各有特点。季节性分析表明，6-7月是热浪和干旱的高发期，这一时期恰好与杏仁和葡萄的关键生长期重叠，增加了农业风险。

3.2. 脆弱性分析

脆弱性评估显示，中央谷地北部地区(从Tehama到Sacramento)对极端气候事件的脆弱性最高。这一区域不仅单一极端事件发生频繁，复合和级联事件的风险也显著高于其他地区。主导的极端事件类型随空间变化而不同：北部中央谷地主要以强降雨(ER)为主导，东部以干旱(DR)为主，而南部则是热浪(HW)和干旱(DR)共同主导。

时间序列分析进一步揭示，北部中央谷地的气温上升趋势明显，最高温度以0.234°C/十年的速率上升，最低温度也以0.167°C/十年的速率增加。与此相对应的是，热浪和干旱事件的频率和强度在近几十年显著增加，特别是在2010年之后，2014年成为极端事件最为集中的年份。

3.3. 对作物的影响分析

作物响应分析揭示了杏仁和葡萄对极端气候的不同脆弱性模式。杏仁对干旱表现出较高的敏感性，在2014年严重干旱期间，杏仁的kNDVI异常值下降了0.03，而对热胁迫的响应相对较弱。相反，葡萄对热胁迫更为敏感，但能从早期的降雨事件中获益，在2005年早期降雨充足的年份，葡萄的kNDVI异常值达到了0.03的峰值。

年内分析表明，2014年的极端热浪和干旱事件，结合低降雨量和地下水下降，在杏仁的壳裂期和葡萄的坐果期加剧了胁迫。不同生长阶段对极端事件的敏感性也不同：杏仁在开花期(2-3月)对冷浪和强降雨敏感，而在核发育期(4-5月)和壳裂期(7-8月)对热浪和干旱更为脆弱；葡萄则在开花坐果期(5-6月)对热浪和干旱敏感，在成熟期(9-10月)对干旱和强降雨敏感。

研究结论与意义

这项研究通过75年的长序列数据分析，首次全面评估了加州中央谷地单一、复合和级联极端气候事件的时空演变规律及其对农业系统的影响。研究不仅证实了极端气候事件在频率、强度和持续时间上的增加趋势，还揭示了热点区域向北部农业区迁移的规律，这一发现对区域农业适应规划具有重要指导意义。

研究的创新之处在于将极端事件分析与作物物候期相结合，明确了不同生长阶段对特定极端事件的脆弱性差异。这为制定针对性的适应策略提供了科学依据，例如针对杏仁在壳裂期对热旱复合事件的敏感性，可以通过品种改良或灌溉调整来降低风险；针对葡萄在成熟期对干旱的敏感性，可以通过水分管理措施来缓解胁迫。

此外，研究建立的极端事件量化框架和方法论，为其他农业区域的类似研究提供了可借鉴的范例。特别是对复合和级联事件的定义和量化方法，解决了传统研究中只关注单一事件的局限性，为全面评估气候风险提供了新视角。

这项研究的意义不仅在于其学术贡献，更在于对农业实践和政策的指导价值。随着气候变化的持续，极端气候事件对农业的威胁将日益加剧，而本研究提供的科学证据和风险评估工具，将有助于农业部门制定更加精准有效的适应策略，保障粮食安全和农业可持续发展。研究结果对加州正在实施的地下水资源可持续管理法案(SGMA)下的农业适应规划具有直接参考价值，也为其他面临类似气候风险的农业区域提供了重要启示。