Global environmental change and sustainability science increasingly recognize the need to address the consequences of changes taking place in the structure and function of the biosphere. These changes raise questions such as: Who and what are vulnerable to the multiple environmental changes underway, and where? Research demonstrates that vulnerability is registered not by exposure to hazards (perturbations and stresses) alone but also resides in the sensitivity and resilience of the system experiencing such hazards. This recognition requires revisions and enlargements in the basic design of vulnerability assessments, including the capacity to treat coupled human–environment systems and those linkages within and without the systems that affect their vulnerability. A vulnerability framework for the assessment of coupled human–environment systems is presented.

Research on global environmental change has significantly improved our understanding of the structure and function of the biosphere and the human impress on both (1). The emergence of “sustainability science” (2–4) builds toward an understanding of the human–environment condition with the dual objectives of meeting the needs of society while sustaining the life support systems of the planet. These objectives, in turn, require improved dialogue between science and decision making (5–8). The vulnerability of coupled human–environment systems is one of the central elements of this dialogue and sustainability research (6, 9–11). It directs attention to such questions as: Who and what are vulnerable to the multiple environmental and human changes underway, and where? How are these changes and their consequences attenuated or amplified by different human and environmental conditions? What can be done to reduce vulnerability to change? How may more resilient and adaptive communities and societies be built?

Answers to these and related questions require conceptual frameworks that account for the vulnerability of coupled human–environment systems with diverse and complex linkages. Various expert communities have made considerable progress in pointing the way toward the design of these frameworks (10, 11). These advances are briefly reviewed here and, drawing on them, we present a conceptual framework of vulnerability developed by the Research and Assessment Systems for Sustainability Program (http://sust.harvard.edu) that produced the set of works in this Special Feature of PNAS. The framework aims to make vulnerability analysis consistent with the concerns of sustainability and global environmental change science. The case study by Turner et al. (12) in this issue of PNAS illustrates how the framework informs vulnerability assessments.

Transitions towards sustainability are urgently needed to address the interconnected challenges of economic development, ecological integrity, and social justice, from local to global scales. Around the world, collaborative science-society initiatives are forming to conduct experiments in support of sustainability transitions. Such experiments, if carefully designed, provide significant learning opportunities for making progress on transition efforts. Yet, there is no broadly applicable evaluative scheme available to capture this critical information across a large number of cases, and to guide the design of transition experiments. To address this gap, the article develops such a scheme, in a tentative form, drawing on evaluative research and sustainability transitions scholarship, alongside insights from empirical cases. We critically discuss the scheme's key features of being generic, comprehensive, operational, and formative. Furthermore, we invite scholars and practitioners to apply, reflect and further develop the proposed tentative scheme – making evaluation and experiments objects of learning.

The City of Phoenix Street Transportation Department partnered with the Rob and Melani Walton Sustainability Solutions Service at Arizona State University (ASU) and researchers from various ASU schools to evaluate the effectiveness, performance, and community perception of the new pavement coating. The data collection and analysis occurred across multiple neighborhoods and at varying times across days and/or months over the course of one year (July 15, 2020–July 14, 2021), allowing the team to study the impacts of the surface treatment under various weather conditions.

En la zona metropolitana de Phoenix, el calor urbano está afectando la salud, la seguridad y la economía y se espera que estos impactos empeoren con el tiempo. Se prevé que el número de días por encima de 110˚F aumentará más del doble para el 2060. En mayo de 2017, The Nature Conservancy, el Departamento de Salud Pública del condado de Maricopa, Central Arizona Conservation Alliance, la Red de Investigación en Sostenibilidad sobre la Resiliencia Urbana a Eventos Extremos, el Centro de Investigación del Clima Urbano de Arizona State University y el Center for Whole Communities lanzaron un proceso participativo de planificación de acciones contra el calor para identificar tanto estrategias de mitigación como de adaptación a fin de reducir directamente el calor y mejorar la capacidad de los residentes para lidiar con el calor. Las organizaciones comunitarias con relaciones existentes en tres vecindarios seleccionados para la planificación de acciones contra el calor se unieron más tarde al equipo del proyecto: Phoenix Revitalization Corporation, RAILMesa y Puente Movement. Más allá de construir un plan de acción comunitario contra el calor y completar proyectos de demostración, este proceso participativo fue diseñado para desarrollar conciencia, iniciativa y cohesión social en las comunidades subrepresentadas. Asimismo el proceso de planificación de acciones contra el calor fue diseñado para servir como modelo para esfuerzos futuros de resiliencia al calor y crear una visión local, contextual y culturalmente apropiada de un futuro más seguro y saludable. El método iterativo de planificación y participación utilizado por el equipo del proyecto fortaleció las relaciones dentro y entre los vecindarios, las organizaciones comunitarias, los responsables de la toma de decisiones y el equipo núcleo, y combinó la sabiduría de la narración de historias y la evidencia científica para comprender mejor los desafíos actuales y futuros que enfrentan los residentes durante eventos de calor extremo. Como resultado de tres talleres en cada comunidad, los residentes presentaron ideas que quieren ver implementadas para aumentar su comodidad y seguridad térmica durante los días de calor extremo.

Como se muestra a continuación, las ideas de los residentes se interceptaron en torno a conceptos similares, pero las soluciones específicas variaron entre los vecindarios. Por ejemplo, a todos los vecindarios les gustaría agregar sombra a sus corredores peatonales, pero variaron las preferencias para la ubicación de las mejoras para dar sombra. Algunos vecindarios priorizaron las rutas de transporte público, otros priorizaron las rutas utilizadas por los niños en su camino a la escuela y otros quieren paradas de descanso con sombra en lugares clave. Surgieron cuatro temas estratégicos generales en los tres vecindarios: promover y educar; mejorar la comodidad/capacidad de afrontamiento; mejorar la seguridad; fortalecer la capacidad. Estos temas señalan que existen serios desafíos de seguridad contra el calor en la vida diaria de los residentes y que la comunidad, los negocios y los sectores responsables de la toma de decisión deben abordar esos desafíos.

Los elementos del plan de acción contra el calor están diseñados para incorporarse a otros esfuerzos para aliviar el calor, crear ciudades resilientes al clima y brindar salud y seguridad pública. Los socios de implementación del plan de acción contra el calor provienen de la región de la zona metropolitana de Phoenix, y se brindan recomendaciones para apoyar la transformación a una ciudad más fresca.

Para ampliar la escala de este enfoque, los miembros del equipo del proyecto recomiendan a) compromiso continuo e inversiones en estos vecindarios para implementar el cambio señalado como vital por los residentes, b) repetir el proceso de planificación de acción contra el calor con líderes comunitarios en otros vecindarios, y c) trabajar con las ciudades, los planificadores urbanos y otras partes interesadas para institucionalizar este proceso, apoyando las políticas y el uso de las métricas propuestas para crear comunidades más frescas.