北半球夏季高溫變率的主模態(tài)及其海氣背景

摘要" 極端高溫?zé)崂藢θ蛉祟悧⒌貥?gòu)成持續(xù)且日益嚴(yán)重的威脅。目前，整個北半球高溫?zé)崂说闹饕臻g模態(tài)及其相關(guān)的海洋和大氣背景仍不清楚。本文采用百年半球尺度站點觀測資料，研究了北半球夏季高溫變率的主模態(tài)及與其相聯(lián)系的海氣背景。結(jié)果表明，北半球夏季高溫（日最高氣溫≥35 ℃）頻次的自然變率有3種主模態(tài)，解釋方差占比52.6％。第一主模態(tài)表現(xiàn)為北半球高溫頻次異常的一致型變化模態(tài)。該模態(tài)與大西洋多年代際振蕩（Atlantic Multi-decadal Oscillation，AMO）密切相關(guān)。與AMO相關(guān)的環(huán)流異常通過增強(qiáng)北半球多地的大范圍高壓異常，抑制云層形成并增加太陽輻射，從而促進(jìn)大氣增暖。第二主模態(tài)反映了歐亞大陸的緯向三極型異常分布和北美的經(jīng)向偶極型異常分布。該模態(tài)與北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）相關(guān)的年際大氣變率有關(guān)。NAO通過阻塞型高壓和波列傳輸影響北美的關(guān)鍵區(qū)域高溫異常。第三模態(tài)表現(xiàn)為歐亞大陸的經(jīng)向三極型和北美的緯向偶極型異常分布，受太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO）、厄爾尼諾-南方濤動（El Nio and Southern Oscillation，ENSO）和南印度洋（South Indian Ocean，SIO）海溫異常的共同影響。PDO和ENSO可分別在年代際和年際尺度上影響北半球特別是亞歐大陸上空的位勢高度異常，進(jìn)而影響高溫頻次異常;位于南半球的SIO海溫異常通過調(diào)節(jié)沃克環(huán)流和哈德萊環(huán)流異常進(jìn)而影響北半球的高溫異常分布。組合三個主模態(tài)的海氣背景因子進(jìn)行多元線性回歸重建的效果評估進(jìn)一步證明，多尺度海洋和大氣信號的綜合影響在北半球高溫異常中具有重要作用。

關(guān)鍵詞高溫?zé)崂?主模態(tài);北半球;海氣背景

2024-03-11收稿，2024-04-12接受

國家自然科學(xué)基金項目（U2342208;92158203;42175056）;國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFF0805100）;第二次青藏高原科學(xué)考察研究計劃項目（2019QZKK0102）;中國氣象局氣候預(yù)報重點創(chuàng)新團(tuán)隊項目（CMA2023ZD03）

引用格式：夏妍，梁萍，吳志偉，2024.北半球夏季高溫變率的主模態(tài)及其海氣背景［J］.大氣科學(xué)學(xué)報，47（6）：841-855.

Xia Y，Liang P，Wu Z W，2024.Leading modes and oceanic and atmospheric drivers of heat wave variability in the Northern Hemisphere［J］.Trans Atmos Sci，47（6）：841-855.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240311001.（in Chinese）.

近年來，高溫?zé)崂嗽谌蚍秶鷥?nèi)加劇，強(qiáng)度更強(qiáng)，持續(xù)時間更長（Rthlisberger and Papritz，2023），對人類健康、農(nóng)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施等已構(gòu)成嚴(yán)重威脅（Barriopedro et al.，2011;Wu et al.，2012;Li et al.，2017;Mora et al.，2017;Zheng and Wang，2019;Liang et al.，2022;Liu B Q et al.，2023）。例如，在1988年夏季，熱浪襲擊了整個北半球，尤其是對中國、美國、希臘等國，造成了極大的人體不適甚至死亡（Giles and Balafoutis，1990）。2022年，史無前例的熱浪席卷了北半球的許多地區(qū)，導(dǎo)致亞洲、歐洲和北美發(fā)生極端高溫、干旱甚至野火，創(chuàng)下了歷史新高（Liang et al.，2022;Witze，2022;Guinaldo et al.，2023;Liu B Q et al.，2023;孫博等，2023;Zhang et al.，2023）。隨著全球變暖的加快，聯(lián)合國秘書長發(fā)表評論：“全球變暖的時代已經(jīng)結(jié)束;全球沸騰的時代已經(jīng)到來”（https：／／www.un.org／sg／en／content／sg／speeches／2023-07-27／secretary-generals-opening-remarks-press-conference-climate）。因此，對熱浪的研究已成為全球緊迫的重要主題。

高溫?zé)崂说男纬蓹C(jī)制可歸因于3類：溫室效應(yīng)、海-氣相互作用和大氣內(nèi)部變率。其中，北半球地表溫度的變化受到溫室效應(yīng)的影響（Kaufmann and Stern，1997）。海溫異常可通過改變大氣環(huán)流和遙相關(guān)來影響局地或遠(yuǎn)程的天氣和氣候（Wehrli et al.，2019）。大西洋多年代際振蕩（Atlantic Multi-decadal Oscillation，AMO;Enfield et al.，2001）對北半球的氣候異常有重要影響，對平均溫度的上升趨勢有貢獻(xiàn)。而前5％的最高溫度異常也與AMO有關(guān)（Wyatt et al.，2012;Luo et al.，2023）。例如，AMO與歐亞大陸熱浪之間存在正相關(guān)（Zhou and Wu，2016），并通過影響歐洲阻塞高壓貢獻(xiàn)了約43％的歐洲熱浪趨勢（Luo et al.，2023）。太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO;Mantua et al.，1997）在近幾十年中成為北半球氣溫內(nèi)部變率的主要驅(qū)動因素（Steinman et al.，2015）。PDO在冬春的發(fā)展激發(fā)海溫異常強(qiáng)迫，進(jìn)一步通過羅斯貝波提高夏季溫度的可預(yù)測性（Vijverberg and Coumou，2022）。PDO可以影響北美西部復(fù)合干旱熱浪的開始（Mukherjee et al.，2020）。而在2022年夏季中國長江流域極端熱浪事件中，中高緯異常雙阻塞型環(huán)流異常受到PDO的負(fù)相位和AMO正相位的聯(lián)合影響（Liang et al.，2022）。厄爾尼諾-南方濤動（El Nio and Southern Oscillation，ENSO;Glantz，1997）是熱帶太平洋附近熱浪的主要驅(qū)動力（Domeisen et al.，2023）。它可以通過激發(fā)Gill響應(yīng)影響羅斯貝波列，并通過遙相關(guān)影響歐亞大陸的熱浪（Zhou and Wu，2016）。北美熱浪的年際變化與ENSO的發(fā)展有關(guān)（Wu et al.，2012）。中國南部熱浪的變率也與厄爾尼諾轉(zhuǎn)變?yōu)槔崮鹊倪^渡期顯著相關(guān)（Deng et al.，2019）。

另一方面，北半球地表氣溫的變化受到包括北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO;Li et al.，2013）在內(nèi)的大氣內(nèi)部變率的影響。觸發(fā)歐洲熱浪的阻塞形勢在很大程度上與NAO相關(guān)（Perkins，2015）。夏季NAO和俄羅斯北部短波云輻射的聯(lián)合作用可激發(fā)烏拉爾反氣旋異常并通過波列傳播至低緯地區(qū)，在東亞引發(fā)極端熱浪（Liu L et al.，2023）。NAO可能是影響與長江流域熱浪相關(guān)高壓的主導(dǎo)大氣內(nèi)部變率（Deng et al.，2019;Huang et al.，2024）。NAO還可以影響鄂霍次克海的阻塞頻率，從而調(diào)制韓國的熱浪（Choi et al.，2022）。

自1979年以來，北半球多個地區(qū)同時出現(xiàn)熱浪的頻率增加了6倍，平均空間范圍和強(qiáng)度也顯著增加（Rogers et al.，2022）。盡管已有許多研究對北半球不同區(qū)域的高溫?zé)崂水惓＿M(jìn)行了分析，但對整個北半球高溫?zé)崂说闹鲗?dǎo)空間模態(tài)目前仍不清楚，在不同時間尺度上與其相聯(lián)系的海氣背景也尚不清晰。同時，現(xiàn)有的高溫研究為考慮地區(qū)差異性，常使用百分位數(shù)等相對閾值作為高溫指標(biāo)，但達(dá)到高溫的絕對溫度對選取區(qū)域和時間段并不一致，不便于對比。人類對35 ℃以上的高溫更為敏感，且35 ℃以上的高溫誘發(fā)疾病的風(fēng)險急劇上升（談建國和黃家鑫，2004;謝盼等，2015;Xu et al.，2016）。因此，本文將采用35 ℃作為高溫的直觀評判指標(biāo)，診斷北半球高溫?zé)崂说闹鲗?dǎo)空間模態(tài)及與其相聯(lián)系的海氣背景特征，以期加深對北半球高溫異常分布的理解，并為半球尺度的高溫預(yù)測提供線索。

1" 資料和方法

1.1" 資料

1）全球歷史氣候網(wǎng)日數(shù)據(jù)（GHCND）的站點2 m日最高氣溫資料（Menne et al.，2012），時間跨度為1900—2022年。

2）1900—2015年逐月的NOAA-CIRES-DOE 20世紀(jì)再分析數(shù)據(jù)（V3）以及1979—2022年的逐月NCEP-DOE AMIP-Ⅱ再分析數(shù)據(jù)（R-2）（Kanamitsu et al.，2002），水平分辨率為1.0°×1.0°（后者原始為2.5°×2.5°，通過插值處理得到）。使用前已移除兩者間的氣候態(tài)差異，以確保兩套數(shù)據(jù)的時間一致性（Wang et al.，2010）。

3）NOAA擴(kuò)展重建的第5版海表溫度ERSSTV5（Huang et al.，2017），水平分辨率為2.0°×2.0°，時間跨度為1900—2022年。

4）美國大氣研究中心氣候數(shù)據(jù)指南網(wǎng)站提供的1900—2022年AMO、PDO和ENSO指數(shù)。根據(jù)北大西洋區(qū)域80°W～30°E、35°～65°N標(biāo)準(zhǔn)化的月平均海平面氣壓（sea level pressure，SLP）之差（Li and Wang，2003），采用英國哈德萊中心的HadSLP2（Basnett and Parker，1997）和美國NCEP的SLP（Kalnay et al.，1996）數(shù)據(jù)集，計算得到1900—2022年NAO指數(shù)。

1.2" 方法

本研究定義高溫頻次為北半球夏季（6—8月）逐日最高2 m氣溫（Tmax，2m）≥35 ℃的天數(shù)。選擇35 ℃作為高溫的閾值是為了直觀地揭示與人類較為敏感的高溫特征。在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，每年的高溫頻次僅在有效數(shù)據(jù)超過90％（83 d）時才會被考慮，以去除不可靠的站點數(shù)據(jù)。

為揭示北半球高溫頻次的主導(dǎo)模態(tài)，我們對北半球高溫頻次進(jìn)行經(jīng)驗正交函數(shù)（empirical orthogonal function，EOF）分析（Pearson，1901）。其中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行排除線性趨勢處理，以消除氣候變化帶來的長期趨勢影響（Luo et al.，2023）。同時，采用傅里葉諧波分析（Wang et al.，2010）分離時間序列的年際和年代際分量。采用有效自由度（Bretherton et al.，1999）進(jìn)行多年代際變率相關(guān)的顯著性檢驗。使用波活動通量（Takaya and Nakamura，2001）描述大尺度波動在大氣中的傳播特征。

2" 北半球的高溫主模態(tài)

圖1a展示了北半球夏季2 m日最高氣溫（Tmax，2m）超過35 ℃的頻次分布，可見，在北半球，高溫出現(xiàn)頻次最高的區(qū)域集中在副熱帶，特別是撒哈拉沙漠地區(qū)和阿拉伯半島的波斯灣沿岸，高溫頻次超過80 d。此外，東亞、北美洲西海岸和墨西哥灣沿岸也是高溫頻次較高的地區(qū)。從標(biāo)準(zhǔn)差表征的高溫頻次變率（圖1b）來看，北美南部、東亞、中亞和北非等區(qū)域的高溫頻次變率較大，這些區(qū)域與高溫頻次大值區(qū)（圖1a）也基本一致。圖1c進(jìn)一步給出了35 ℃高溫在北半球各地對應(yīng)的百分位數(shù)，可見，在30°N以北的大部區(qū)域，35 ℃高溫相當(dāng)于80％甚至90％的百分位數(shù)，表明35 ℃這一閾值可較合理地代表副熱帶及其以北區(qū)域的極端高溫的出現(xiàn)。

圖2進(jìn)一步給出了35 ℃高溫頻次的前3個主模態(tài)的空間分布及其相應(yīng)的主成分（principal component，PC）。第一模態(tài)（圖2a）顯示，北半球的大部分地區(qū)，尤其是副熱帶地區(qū)，空間分布具有高度的一致性。該模態(tài)對北半球高溫頻次有重要貢獻(xiàn)，解釋方差高達(dá)35.1％，對應(yīng)的主成分PC1（圖2d）表現(xiàn)出明顯的年代際波動。第二主模態(tài)（EOF2）的解釋方差為11％，且東、西半球分布型不同，在北美呈現(xiàn)南北向的偶極型，以40°N左右為界，南部為正異常中心，北部為范圍相當(dāng)?shù)呢?fù)異常中心，強(qiáng)度較強(qiáng);在歐亞大陸則表現(xiàn)為東西向的三極型，3個異常中心分別在75°E、60°E左右和90°E以東。第三主模態(tài)（EOF3）則在北美呈現(xiàn)東西向的偶極型，在歐亞大陸為南北向的三極型，解釋方差為6.5％。歐亞三極型中心分別在15°N、30°N、45°N左右;北美異常中心分布在中緯度85°W左右兩側(cè)。以上3個主模態(tài)均通過North檢驗（North et al.，1982），即在統(tǒng)計上是獨立的。3個主模態(tài)共同解釋了北半球35 ℃高溫頻次總方差的52.6％。換句話說，這3個模態(tài)反映了北半球大部分的高溫頻次變率。

3" 北半球高溫主模態(tài)的關(guān)鍵海氣背景

考慮到高溫與下沉的大氣直接相聯(lián)，首先考察與上述3個主模態(tài)相關(guān)的對流層中層異常環(huán)流背景。第一模態(tài)PC1回歸的500 hPa位勢高度異常場呈現(xiàn)出明顯的沿北大西洋-歐亞-北美的中緯度遙相關(guān)波列分布（圖3a）。其中，除歐洲、東亞和北美中東部上空的位勢高度正異常和第一模態(tài)的高溫頻次正異常區(qū)域相對應(yīng)外，該波列向東南方向傳播還對中國南方上空的位勢高度正異常以及高溫產(chǎn)生影響。第二模態(tài)PC2回歸的位勢高度異常場在北美上空呈現(xiàn)明顯的經(jīng)向偶極子分布，在亞歐中緯度區(qū)域為正異常分布（圖3b），分別與高溫頻次第二模態(tài)在北美表現(xiàn)出的經(jīng)向偶極子分布和亞歐中緯度一致型分布（圖2b）相對應(yīng)。第三模態(tài)PC3回歸的位勢高度異常場在北大西洋-歐亞大陸呈現(xiàn)經(jīng)向三極子分布（位于低緯的負(fù)異常中心強(qiáng)度較弱，位置偏西），在北美上空表現(xiàn)為緯向偶極子分布（圖3c）。其中，在中亞-東歐上空的負(fù)異常中心與第三模態(tài)在該區(qū)域的高溫頻次負(fù)異常中心相對應(yīng)，而北美上空的緯向偶極子異常則與第三模態(tài)在北美出現(xiàn)的高溫頻次異常緯向偶極子分布（圖2c）相對應(yīng)。由此可見，上述對流層中層環(huán)流異?？傮w上可反映北半球高溫頻次3個主模態(tài)的異常空間分布。接下來針對各主模態(tài)，結(jié)合以上環(huán)流場特征，進(jìn)一步分析與其相聯(lián)系的海洋和大氣異常，以期更好地理解與北半球高溫?zé)崂耸录煌植寄B(tài)相聯(lián)系的物理背景。

3.1" 第一主模態(tài)

為探究海洋強(qiáng)迫與熱浪第一模態(tài)之間的聯(lián)系，計算了第一主模態(tài)時間序列PC1回歸的超前1 a至同期的季節(jié)海溫異?？臻g。圖4c給出了PC1回歸的海表溫度（sea surface temperature，SST）異常的空間分布，最為顯著的異常區(qū)域位于北大西洋的正異常中心，這與AMO的正相位尤其相似。在1900—2022年期間，PC1和同期AMO之間的相關(guān)系數(shù)為0.29（圖4a），在99％置信水平上顯著。這種顯著的聯(lián)系不僅存在于同期夏季，還可以追溯到前冬（圖略），PC1與春季和冬季AMO的相關(guān)系數(shù)分別為0.28和0.24，均在統(tǒng)計上顯著。這些結(jié)果凸顯了AMO與北半球高溫頻次第一主模態(tài)之間的長期關(guān)聯(lián)。鑒于PC1主要反映了年代際變化（圖4b），而AMO也主要呈現(xiàn)年代際以上的變率，因此將傅里葉諧波分解后保留8 a以上周期的AMO年代際分量和PC1做相關(guān)，相關(guān)系數(shù)升高為0.36，通過置信水平為99％的顯著性檢驗。獲取PC1的年代際分量，進(jìn)一步回歸到SST異常（圖4d）。與圖4c的海溫異常分布相比，北大西洋的海溫異常與PC1的年代際分量的關(guān)聯(lián)表現(xiàn)為更加強(qiáng)烈和一致的模態(tài)。當(dāng)200 hPa位勢高度異常回歸至PC1（圖4e）以及去趨勢的AMO指數(shù)（圖4f）時，在北半球的對流層上層出現(xiàn)了幾個廣闊的正異常中心，與圖3a的中層位勢高度場呈正壓結(jié)構(gòu)。這樣的異常形態(tài)與早期研究中指出的與歐亞熱浪相關(guān)的環(huán)流異常模式相符合，即大范圍的正壓異?？赡軐?dǎo)致了邊界層的干燥，抑制云的形成，從而強(qiáng)化了地面的輻射加熱（Zhou and Wu，2016）。PC1回歸的200 hPa位勢高度異常在東歐、東北亞、北太平洋、北美東部、北大西洋上空都存在正異常中心（圖4e），類似環(huán)球遙相關(guān)（circum-global teleconnection，CGT）正位相的波列異常，但中心位置和強(qiáng)度略有差異。與AMO相關(guān)的熱異常集中在東歐、東亞和北美東南部，與CGT的異常中心對應(yīng)也較好（Branstator，2002;Ding and Wang，2005;Saeed et al.，2011a，2011b，2014）。AMO和CGT波列之間存在聯(lián)系，這在多項研究中已被證明（Lin et al.，2016;Wu et al.，2016;Dutta and Neena，2022;Sandeep et al.，2022），這里通過波活動通量驗證AMO作用的過程。AMO回歸的波活動通量顯示，起源于北大西洋低緯度的羅斯貝波能量北傳至中緯度，而后繼續(xù)向東傳至歐亞大陸和北美大陸，引起位勢高度異常（圖4f），這與PC1回歸結(jié)果在歐亞和北美向東傳播的波通量一致（圖4e），進(jìn)一步解釋了AMO通過遙相關(guān)影響北半球高溫頻次第一模態(tài)的機(jī)制。夏季AMO指數(shù)與北半球高溫頻次之間的相關(guān)分布如圖4g所示，顯著的正相關(guān)范圍覆蓋北半球大部分地區(qū)，除亞洲和歐洲外，在北美東南部和北非也有顯著相關(guān)區(qū)域，且顯著相關(guān)的分布類似于圖2a的空間格局。因此，AMO是北半球高溫頻次第一主模態(tài)的關(guān)鍵影響背景。

3.2" 第二主模態(tài)

對于北半球夏季高溫頻次的第二主模態(tài)，功率譜分析表明它有一個明顯的2～3 a周期（圖5b）。SLP與PC2的同期回歸表明，第二主模態(tài)與北大西洋中高緯度的反位相蹺蹺板結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)（圖5c），低壓異常從北美向東北-西南方向延伸到北歐，而高壓異常位于北部，這樣的結(jié)構(gòu)反映了NAO的負(fù)位相（Li and Wang，2003）（圖5d）。NAO正位相時，位于中緯度的海平面氣壓正異常，向西延伸至北美大陸北部（圖5d），形成的高壓脊有利于北美北部高溫增多。

進(jìn)一步計算發(fā)現(xiàn)，PC2與同期NAO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.33（圖5a），在99％置信水平上顯著。而NAO和高溫頻次相關(guān)系數(shù)的空間分布與EOF2模態(tài)之間的空間相關(guān)系數(shù)（pattern correlation coefficient，PCC）為-0.40，特別是對北美經(jīng)向偶極子表現(xiàn)較好。以上都表明NAO是與北半球高溫第二主模態(tài)相關(guān)的關(guān)鍵因子。NAO不僅能對北美夏季地表氣候產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，而且還能通過大西洋-歐亞遙相關(guān)對歐亞大陸夏季地面氣候產(chǎn)生影響，這種遙相關(guān)與起源于副熱帶北大西洋的大尺度羅斯貝波列有關(guān)（Folland et al.，2009;Li et al.，2013;Huang et al.，2024）。

3.3" 第三主模態(tài)

相較于第一和第二主模態(tài)，第三主模態(tài)的物理背景更為復(fù)雜。首先，通過對第三主模態(tài)的時間序列進(jìn)行功率譜分析發(fā)現(xiàn)，PC3具有顯著的年際（2～3 a和5～6 a）和年代際（10 a）周期（圖6b）。PC3回歸的海溫異?？臻g分布（圖6a）表明，第三模態(tài)的年際至年代際變化可能與ENSO、PDO和南印度洋等多個區(qū)域的海表溫度異常有關(guān)。這些因子是如何影響北半球高溫的第三主模態(tài)的呢？

PC3回歸的海溫異常表現(xiàn)為在北太平洋中西部廣泛的正異常，以及在北太平洋東部和北美西海岸的負(fù)異常（圖6a）。這一空間格局與PDO的負(fù)位相高度相似。進(jìn)一步根據(jù)PDO指數(shù)回歸的對流層中層位勢高度異常場顯示，在北半球歐亞大陸，特別是亞洲東部表現(xiàn)出“+-+”經(jīng)向三極異常（圖6c），這與PC3回歸的位勢高度場相吻合（圖3c），也與第三模態(tài)在歐亞大陸的分布型相對應(yīng)。PDO指數(shù)與PC3之間的相關(guān)系數(shù)（-0.25）在99％置信水平上是顯著的（圖6d）。同時，PDO和高溫頻次相關(guān)系數(shù)的空間分布與EOF3模態(tài)的空間相關(guān)系數(shù)為-0.28，在亞洲東部更顯著。由此表明，PDO可在年代際尺度上對北半球高溫的第三模態(tài)特別是歐亞大陸區(qū)域產(chǎn)生影響。

由圖6a可見，在前冬（圖略）至夏季，PC3與東太平洋海溫異常與也存在顯著相關(guān)。同時，與PC3相關(guān)聯(lián)的印度洋海溫異常從前冬開始逐步增強(qiáng)，持續(xù)到夏季（圖略）。計算PC3與Nio3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步顯示，春季（-0.29）和夏季（-0.17）的Nio3.4指數(shù)和PC3均顯著相關(guān)。這表明PC3的年際變化與厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）的活動有持續(xù)性相關(guān)。圖7b—d給出了春季（3—5月）Nio3.4指數(shù)回歸的夏季對流層上層至下層位勢高度異常場。與ENSO有關(guān)的位勢高度異常表現(xiàn)出太平洋-北美遙相關(guān)型（Pacific-North America，PNA;Wallace and Gutzler，1981），特別是在對流層中高層（圖7b、c）?？梢园l(fā)現(xiàn)，對流層中高層的三極子位勢高度異常（圖7b、c）和PC3回歸的位勢高度場呈反位相分布（圖3c），對應(yīng)于歐亞大陸上的EOF3分布（圖2c）。同時，Nio3.4指數(shù)和高溫頻次相關(guān)系數(shù)的空間分布與EOF3模態(tài)的空間相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.38，對歐亞經(jīng)向三極子模態(tài)表現(xiàn)較好。與ENSO相關(guān)的位勢高度異?？赡芡ㄟ^影響PNA（Sutton et al.，2024）觸發(fā)下沉運動和地表加熱異常，有利于EOF3分布的形成。此外，夏季熱帶印度洋與PC3相聯(lián)系的海表溫度異常分布有顯著同步關(guān)系（圖略），表明熱帶印度洋對前期ENSO事件的延遲響應(yīng)可能成為延長ENSO對EOF3影響的“電容器”（Xie et al.，2016）。

除了PDO和ENSO，與PC3同期相聯(lián)系的海溫異常在南印度洋也顯示出顯著的負(fù)異常（圖6a），且這一負(fù)異常從前冬開始向東北方向擴(kuò)展并持續(xù)至夏季（圖略）。我們將10°～46°S、44°～66°E區(qū)域的海溫異常定義為與PC3相關(guān)的南印度洋關(guān)鍵指數(shù)（South Indian Ocean，SIO）。計算發(fā)現(xiàn)，SIO指數(shù)與PC3之間的同期相關(guān)系數(shù)（-0.44）在99％的置信水平上是顯著的（圖8a），且SIO指數(shù)與PDO和ENSO相關(guān)并不明顯。由此表明，南印度洋海溫異?？赡苁菂^(qū)別于PDO和ENSO的另一影響北半球高溫第三主模態(tài)的因子。SIO指數(shù)和高溫頻次相關(guān)系數(shù)的空間分布與EOF3模態(tài)的空間相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了-0.53，在北美東部和中亞地區(qū)較顯著。為了研究南印度洋影響北半球高溫的可能過程，進(jìn)一步分析了其相關(guān)的異常環(huán)流。對SIO回歸的同期500 hPa位勢高度異常場（圖8b）顯示，歐亞中緯度地區(qū)出現(xiàn)負(fù)異常，東亞為正異常，并伴隨北美西部的負(fù)異常中心，這與北半球高溫的第三主模態(tài)空間分布（圖2c）相似。SIO回歸的700 hPa垂直速度場顯示，異常主要集中在熱帶地區(qū)（圖8c）。圖8d進(jìn)一步展示了PC3回歸的熱帶地區(qū)（15°S～15°N）垂直速度異常場。由圖可見，西太平洋出現(xiàn)異常下沉，東太平洋則為異常上升，這與沃克環(huán)流的氣候態(tài)相反，表明太平洋上的沃克環(huán)流有所減弱。當(dāng)南印度洋SST變暖時，西北太平洋區(qū)域減弱的沃克環(huán)流相聯(lián)系的異常下沉運動進(jìn)一步影響西北太平洋區(qū)域的哈德萊環(huán)流（圖8e），導(dǎo)致東亞的上升支更強(qiáng)，伴隨冷低壓，從而有助于減少東亞的高溫頻次。同時，東太平洋的上升運動增強(qiáng)，導(dǎo)致北美洲東部的下沉運動增強(qiáng)（圖8f），形成與PC3回歸環(huán)流場相反的模態(tài)（圖3c），使得北美洲東部熱浪增加。因此，南印度洋的異常海溫可能通過影響沃克環(huán)流異常，進(jìn)而作用于哈德萊環(huán)流，對北半球高溫的第三主模態(tài)空間分布產(chǎn)生貢獻(xiàn)（圖2c）。南印度洋如何通過這種“沃克環(huán)流橋梁”影響北半球異常環(huán)流的詳細(xì)機(jī)制值得進(jìn)一步研究。

4" 基于主模態(tài)的北半球夏季高溫重建模型

本節(jié)通過建立基于主模態(tài)的北半球高溫統(tǒng)計模型，以進(jìn)一步分析與主模態(tài)相聯(lián)系的海氣背景對北半球高溫的貢獻(xiàn)。圖9a顯示了重建模型的具體流程圖。其中，每個PC都通過上文所述的海氣背景因子使用多元線性回歸進(jìn)行重建。進(jìn)一步基于3個PC的各自回歸結(jié)果，并通過它們各自的解釋方差進(jìn)行加權(quán)，從而集成得到重建的北半球夏季高溫頻次。其中，使用1900—1978年的時間段作為訓(xùn)練集確定回歸系數(shù)和殘差，并使用1979—2022年的時間段對模型的重建能力進(jìn)行驗證。模型試驗表明，基于關(guān)鍵背景因子回歸的PC1、PC2、PC3與原始時間序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.34、0.44、0.39，均通過了99％置信水平的顯著性檢驗，即可較好地反映3個主模態(tài)的主成分。進(jìn)一步采用如下公式對北半球高溫頻次（RHW）進(jìn)行集合重構(gòu)：

IRHW=V1×E1×（a1×IAMO+b1）+V2×E2×（a2×INAO+b2）+V3×E3×（a3×INio3.4+b3×IPDO+c1×ISIO+d1）。

其中：V和E分別代表EOF主模態(tài)的解釋方差和特征向量;IAMO、INAO、INio3.4、IPDO、ISIO表示與高溫相聯(lián)的大氣-海洋背景指數(shù);a、b、c和d是相應(yīng)的回歸系數(shù)或殘差。

圖9b展示了1979—2022年的重建結(jié)果與高溫頻次（去趨勢）之間的空間相關(guān)分布?？梢钥闯觯卑肭虼蟛糠值貐^(qū)存在正相關(guān)。其中，在東歐平原、西西伯利亞和墨西哥灣北岸的相關(guān)顯著。此外，我們根據(jù)空間相關(guān)系數(shù)評估了上述重建模型對極端年份的效果。其中，逐年高溫頻次序列根據(jù)1961年以后的北半球站點平均的高溫頻次進(jìn)行排序得出，得到的時間序列與CRU（Climatic Research Unit）（Osborn et al.，2021）提供的第五套北半球陸地氣溫異常去趨勢序列高度一致。進(jìn)一步根據(jù)上述高溫頻次的年份排序，選出了1979—2022年5個極熱年份（1980、1988、2011、2012和2022年）。在這些年份中，重構(gòu)的高溫頻次和實況分布的PCC系數(shù)呈顯著正相關(guān)。由此表明，基于關(guān)鍵海氣背景因子的重建模型可較好地反映北半球高溫的極端年份，進(jìn)一步證明了年際到年代際的關(guān)鍵海氣背景因子對北半球極端高溫年的影響。

考慮到全球變暖對高溫的重要影響，進(jìn)一步將考慮了長期變化趨勢項的重建結(jié)果與原始高溫頻次進(jìn)行比較，重建的效果有明顯改善，在北半球的絕大部分地區(qū)顯示出正相關(guān)，尤其是亞洲和非洲的中低緯度區(qū)域（圖9c）。由此表明，除上述海氣背景以外，全球增暖背景帶來的長期變化趨勢對北半球高溫的增多有重要影響，這與已有研究（Fischer and Knutti，2015;Diffenbaugh et al.，2017;袁宇鋒和翟盤茂，2022;孫博等，2023）相吻合。

5" 結(jié)論與討論

本文利用GHCND逐日最高氣溫觀測資料，確定了1900—2022年北半球夏季35 ℃以上高溫頻次空間分布的3種主模態(tài)，進(jìn)一步診斷了3個主模態(tài)相關(guān)的海氣背景，并基于海氣背景因子建立了高溫頻次重建模型，以深入了解北半球高溫變化的主模態(tài)，并為半球尺度的高溫預(yù)測提供線索。結(jié)果表明：

1）北半球夏季35 ℃以上高溫頻次異?？臻g分布的前3個主模態(tài)對高溫頻次的解釋方差占比52.6％。其中，第一主模態(tài)表現(xiàn)為整個北半球的一致型異常分布。第二主模態(tài)表現(xiàn)為歐亞大陸的緯向三極型分布和北美的經(jīng)向偶極型分布。第三主模態(tài)表現(xiàn)為歐亞大陸的經(jīng)向三極型和北美的緯向偶極型分布。

2）北半球高溫頻次的主模態(tài)與年際至年代際尺度的海洋-大氣背景緊密相連。第一主模態(tài)與AMO密切相聯(lián)，尤其是在其年代際變量上。AMO相關(guān)的環(huán)流異常通過增強(qiáng)北半球多地的大范圍高壓異常，抑制云層形成并增加太陽輻射，從而促進(jìn)大氣增暖。第二主模態(tài)與NAO等大尺度大氣變率有顯著的關(guān)聯(lián)。NAO通過阻塞型高壓和波列傳輸對第二主模態(tài)產(chǎn)生影響。第三主模態(tài)與PDO、ENSO以及SIO的海溫異常共同作用相聯(lián)系。其中，PDO和ENSO分別在年代際和年際尺度上影響北半球特別是亞歐大陸上空的位勢高度異常，進(jìn)而影響高溫頻次異常;位于南半球的SIO海溫異常通過調(diào)節(jié)沃克環(huán)流和哈德萊環(huán)流異常影響北半球的高溫異常分布。

3）通過基于主模態(tài)海氣背景因子建立回歸集成重建模型，驗證了上述海氣背景因子對北半球高溫的影響。重建模型較好地把握了東歐、西亞以及北美中部地區(qū)的高溫頻次異常，在極端高溫年份對整個北半球的高溫頻次分布的重建效果也表現(xiàn)良好。這一結(jié)果清楚地表明，北半球熱浪的自然變異性與三大洋的信號和相關(guān)的大氣振蕩緊密相關(guān)。

進(jìn)一步的分析表明，在考慮高溫閾值時，即使選用如37或40 ℃的2 m日最高氣溫作為閾值，主模態(tài)的空間分布仍顯示出相似的分布。這表明，在更極端的溫度閾值條件下，上述海氣背景因素仍可能起作用。另外，如果使用90百分位數(shù)的相對閾值計算高溫頻次做類似分析，則高溫分布的主模態(tài)在北半球中低緯地區(qū)有類似的分布型，模態(tài)對應(yīng)的PC也較相似，但高緯變率的貢獻(xiàn)明顯增大，分布型存在差異。這意味著，北半球高溫頻次在使用相對閾值定義的情況下，可能存在相似的海氣背景，但具體的關(guān)鍵因子和影響機(jī)制仍需探究。此外，關(guān)于方差的解釋，前3個模態(tài)共解釋了大約一半的北半球熱浪方差。其他自然變率，如海冰和積雪覆蓋、土壤濕度等，也可能對北半球夏季的極端高溫產(chǎn)生影響，這些都值得未來進(jìn)一步研究。

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·ARTICLE·

Leading modes and oceanic and atmospheric drivers of heat wave variability in the Northern Hemisphere

XIA Yan1，LIANG Ping2，WU Zhiwei1

1Shanghai Key Laboratory of Ocean-land-atmosphere Boundary Dynamics and Climate Change，Department of Atmospheric and Oceanic Sciences/Institute of Atmospheric Sciences， Fudan University， Shanghai 200438， China;

2Key Laboratory of Cities Mitigation and Adaptation to Climate Change in Shanghai，Shanghai Regional Climate Center，Shanghai 200030，China

Abstract" Extreme heat events and heat waves pose an increasingly significant threat to human communities，affecting public health，agriculture，economic stability and fueling secondary disasters such as wildfires.In recent years，heat waves have become more frequent，intense，and prolonged，particularly in the densely populated Northern Hemisphere （NH）.However，the primary spatial modes of heat waves across the NH，along with their associated oceanic and atmospheric conditions remain insufficiently understood.This study investigates the natural variability of NH heat waves during boreal summer over the past century.We identify three leading modes in the frequency of daily maximum temperatures exceeding 35 ℃，collectively accounting for 52.6％ of the explained variance.The first mode presents a uniform pattern of heat wave frequency anomalies across most of the NH.This interdecadal mode corelates with the Atlantic Multi-decadal Oscillation （AMO），which triggers atmospheric anticyclone anomalies in the upper troposphere，decreasing cloud cover and increasing surface diabatic heating.AMO-induced Rossby wave energy propagates from low to mid-latitudes，then eastward across Eurasia and North America，establishing wave-train anomalies linked to this primary mode via teleconnections.The second mode，showing a latitudinal tripole pattern across Eurasia and a meridional dipole over North America，reflects interannual atmospheric variability tied to the North Atlantic Oscillation （NAO）.The NAO influences critical North American regions through high-pressure ridges and propagating wave trains.The third mode captures an Eurasian meridional tripole and North American latitudinal dipole pattern，shaped by the Pacific Decadal Oscillation （PDO），El Nio-Southern Oscillation （ENSO），and sea surface temperature anomalies of the South Indian Ocean （SIO）.Both PDO and ENSO affect NH heatwave frequency anomalies through upper-to-lower level geopotential height variations over Eurasia on interdecadal and interannual timescales，respectively.ENSOs influence extends to NH heat wave patterns via the Pacific-North America （PNA） teleconnection and the Indian Ocean capacitor effect.The SIO modulates vertical atmospheric motion over regions such as East Asia and eastern North America via Walker and Hadley circulations，further affecting NH heat wave frequency anomalies.We develop a multiple linear regression model to reconstruct NH heat wave frequencies based on the air-sea background factors of these three leading modes，including their spatial distributions and variance contributions.The model aligns well with observed heat wave frequencies and extreme high temperature events，reinforcing the significant impact of multi-scale oceanic and atmospheric signal on NH heat wave anomalies.When the absolute temperature thresholds are increased to 37 ℃ and 40 ℃，the leading modes display similar spatial patterns，suggesting that the identified oceanic and atmospheric drivers remain influential.Analysis based on relative temperature thresholds show consistent results，although variability at high latitudes exhibits a distinct contribution.Additional natural variability components，potentially linked to sea ice，snow cover，and soil moisture，warrant further investigation.

Keywords" heat wave;leading modes;Northern Hemisphere;oceanic and atmospheric drivers

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240311001

（責(zé)任編輯：張福穎）